DE102021130787A1

DE102021130787A1 - System und verfahren zur herstellung von hochfesten gebondeten metallblechen für eine batteriezelle

Info

Publication number: DE102021130787A1
Application number: DE102021130787.2A
Authority: DE
Inventors: Nannan Chen; Hongliang Wang; Zhongyi Liu
Original assignee: Penn State Research Foundation; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Penn State Research Foundation; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2022-08-18
Also published as: US11465227B2; CN114918521B; US20220258274A1; CN114918521A

Abstract

System und Verfahren zur Herstellung von hochfesten Verbundblechen für eine Batteriezelle werden bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Stapels, der ein erstes Metallblech und ein zweites Metallblech umfasst. Das erste und das zweite Metallblech sind durch eine erste Überzugsschicht getrennt. Die erste Überzugsschicht besteht aus Nickelphosphid. Das erste Metallblech enthält ein erstes Material mit einem ersten Schmelzpunkt und das zweite Metallblech enthält ein zweites Material mit einem zweiten Schmelzpunkt. Die erste Überzugsschicht enthält ein drittes Material mit einem dritten Schmelzpunkt. Das Verfahren umfasst ferner das Erhitzen des Stapels, um die Kristallisation des Nickels in der ersten Überzugsschicht zu ermöglichen und das restliche Nickel-Phosphid zu entfernen, wodurch eine verbesserte Überzugsschicht gebildet wird. Die verbesserte Überzugsschicht umfasst kristallisiertes Nickel für eine hochfeste Festkörperbindung des ersten und zweiten Blechs an die verbesserte Überzugsschicht.

Description

EINFUHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Verbinden von Metallblechen für Batteriezellen und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Herstellung hochfester Verbundbleche für Batteriezellen durch Widerstandspunktschweißen.
Batteriepacks werden in Fahrzeugen mit Hybrid- und Elektromotoren eingesetzt. Potenzielle Akkupack-Architekturen müssen möglicherweise so konfiguriert sein, dass sie Scher- und Abziehkräfte aufnehmen können. Derzeitige Akkupack-Baugruppen sind möglicherweise nicht so konfiguriert, dass sie sowohl Überschlag- als auch Karosserieabschälkräfte aufnehmen können.
ZUSAMMENFAS SUNG
Während die derzeitigen Herstellungsverfahren und -systeme ihren Zweck erfüllen, besteht daher Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zur Herstellung hochfester Verbundbleche für Batteriezellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten geklebten Metallblechen für eine Batteriezelle offenbart. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung eines Stapels, der ein erstes Metallblech und ein zweites Metallblech umfasst. Das erste und das zweite Metallblech sind durch eine erste Überzugsschicht getrennt. Die erste Überzugsschicht besteht aus Nickelphosphid. Das erste Metallblech enthält ein erstes Material mit einem ersten Schmelzpunkt, und das zweite Metallblech enthält ein zweites Material mit einem zweiten Schmelzpunkt.
Die erste Überzugsschicht enthält eine Schweißnaht und einen dritten Werkstoff mit einem dritten Schmelzpunkt.
Das Verfahren umfasst ferner das Erhitzen des Stapels, um Nickelphosphid aus dem Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu entfernen und die Kristallisation von Nickel im Schweißbereich zu ermöglichen. Die Kristallisation von Nickel definiert eine verbesserte Überzugsschicht, die kristallisiertes Nickel für eine hochfeste Festkörperbindung des ersten und zweiten Blechs an die verbesserte Überzugsschicht enthält.
In einem Beispiel dieses Aspekts ist das erste Material das gleiche wie das zweite Material und der erste Schmelzpunkt ist der gleiche wie der zweite Schmelzpunkt.
In einem anderen Beispiel ist das erste Material ein anderes als das zweite Material und der erste Schmelzpunkt ist ein anderer als der zweite Schmelzpunkt.
In einem weiteren Beispiel ist das erste Material eines von Kupfer, Nickel und Titan und das zweite Material eines von Kupfer, Nickel und Titan.
In einem anderen Beispiel enthält die verbesserte Überzugsschicht etwa 70 bis 100 Gew.-% Nickel im Schweißteil. In einem anderen Beispiel enthält die erste Überzugsschicht zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 13 Gew.-% Phosphor in Nickel-Phosphid.
In einem weiteren Beispiel dieses Aspekts umfasst der Schritt des Erhitzens des Stapels das Aufbringen einer mechanischen Last auf den Stapel, um das erste und das zweite Metallblech zu verbinden. Der Schritt des Erhitzens umfasst ferner das Erhitzen des Stapels auf den dritten Schmelzpunkt, um die Kristallisation von Nickel im Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu ermöglichen und Nickel-Phosphid aus dem Schweißbereich zu entfernen.
In einem weiteren Beispiel umfasst der Schritt des Erhitzens des Stapels das Aufbringen einer mechanischen Last auf den Stapel, um das erste und das zweite Metallblech zu verbinden und das Nickel-Phosphid im Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu schmelzen. Der Schritt des Erhitzens umfasst ferner das Bewegen des Nickel-Phosphids aus dem Schweißbereich durch die mechanische Belastung, um die Kristallisation des Nickels im Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu ermöglichen und das Nickel-Phosphid daraus zu entfernen.
In einem anderen Beispiel dieses Aspekts umfasst der Schritt des Erhitzens das Erhitzen des Stapels auf den dritten Schmelzpunkt auf der Grundlage des prozentualen Gewichtsanteils von Phosphor in Nickel-Phosphid der ersten Überzugsschicht. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein System zur Herstellung von hochfesten, verbundenen Metallblechen für eine Batteriezelle offenbart. Das System umfasst einen Stapel mit einem ersten Metallblech und einem zweiten Metallblech. Das erste und das zweite Metallblech sind durch eine erste Überzugsschicht getrennt.
In diesem Aspekt umfasst die erste Überzugsschicht Nickelphosphid. Das erste Metallblech definiert eine negative Seite des Stapels und enthält ein erstes Material mit einem ersten Schmelzpunkt. Das zweite Metallblech definiert eine positive Seite des Stapels und enthält ein zweites Material mit einem zweiten Schmelzpunkt. Die erste Überzugsschicht enthält einen Schweißanteil und ein drittes Material mit einem dritten Schmelzpunkt.
In dieser Ausführungsform dieses Aspekts umfasst das System ferner eine erste Elektrode, die so konfiguriert ist, dass sie mit der negativen Seite des Stapels in Kontakt kommt, um den Stapel zu erwärmen, um das Nickelphosphid aus dem geschweißten Teil der ersten Überzugsschicht zu entfernen und die Kristallisation des Nickels darin zu ermöglichen. Die Kristallisation von Nickel definiert eine verbesserte Überzugsschicht, die einen geschweißten Abschnitt mit kristallisiertem Nickel für eine hochfeste Festkörperverbindung des ersten Metallblechs und der verbesserten Überzugsschicht umfasst.
In dieser Ausführungsform umfasst das System außerdem eine zweite Elektrode, die so konfiguriert ist, dass sie mit der positiven Seite des Stapels in Kontakt kommt, um den Stapel zu erhitzen und so das Nickelphosphid aus dem Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu entfernen und die Kristallisation von Nickel in der verbesserten Überzugsschicht zu ermöglichen. Die Kristallisation von Nickel in dem geschweißten Teil der verstärkten Überzugsschicht sorgt für eine hochfeste Festkörperbindung des zweiten Metallblechs und der verstärkten Überzugsschicht.
Das System umfasst ferner eine Stromquelle, die so konfiguriert ist, dass sie die erste und die zweite Elektrode mit Strom versorgt, und einen Controller, der so konfiguriert ist, dass er die Stromzufuhr zur ersten und zur zweiten Elektrode steuert, um den Stapel zu erhitzen.
In einer anderen Ausführungsform dieses Aspekts der vorliegenden Offenbarung ist das erste Material das gleiche wie das zweite Material und der erste Schmelzpunkt ist der gleiche wie der zweite Schmelzpunkt.
In einer anderen Ausführungsform ist das erste Material ein anderes als das zweite Material und der erste Schmelzpunkt ist ein anderer als der zweite Schmelzpunkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Material eines von Kupfer, Nickel und Titan, und das zweite Material ist eines von Kupfer, Nickel und Titan.
In einer anderen Ausführungsform dieses Aspekts umfasst die erste Überzugsschicht zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 13 Gew.-% Phosphor in Nickel-Phosphid, und die verbesserte Überzugsschicht umfasst etwa 70 Gew.-% bis 100 Gew.-% Nickel in dem geschweißten Teil.
In einer anderen Ausführungsform sind die erste und die zweite Elektrode so konfiguriert, dass der Stapel unter mechanischer Belastung bis zum dritten Schmelzpunkt erhitzt wird, um die Kristallisation des Nickels im Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu ermöglichen und Nickelphosphid aus dem Schweißbereich zu entfernen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die erste und die zweite Elektrode so konfiguriert, dass sie den Stapel mit einer mechanischen Belastung erhitzen, um das Nickelphosphid im Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu schmelzen, die Kristallisation des Nickels in der ersten Überzugsschicht zu ermöglichen und das Nickelphosphid aus dem Schweißbereich zu entfernen.
In einer weiteren Ausführungsform dieses Aspekts sind die erste und die zweite Elektrode so konfiguriert, dass der Stapel auf den dritten Schmelzpunkt erhitzt wird, der auf dem prozentualen Gewichtsanteil von Phosphor in Nickel-Phosphid der ersten Überzugsschicht basiert.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein hochfester geschweißter Metallstapel für eine Batteriezelle bereitgestellt. Der Stapel umfasst ein erstes Metallblech, das ein erstes Material mit einem ersten Schmelzpunkt enthält, und ein zweites Metallblech, das ein zweites Material mit einem zweiten Schmelzpunkt enthält.
In dieser Ausführungsform umfasst der Stapel eine verbesserte Überzugsschicht, die zwischen dem ersten und dem zweiten Metallblech angeordnet ist. Die verbesserte Überzugsschicht umfasst einen geschweißten Teil und kristallisiertes Nickel in einer festen Verbindung mit jedem der ersten und zweiten Metallbleche für hohe Festigkeit.
In einer Ausführungsform dieses Aspekts ist das erste Material eines von Kupfer, Nickel und Titan, und wobei das zweite Material eines von Kupfer, Nickel und Titan ist.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die verbesserte Überzugsschicht etwa 70 bis 100 Gewichtsprozent Nickel im geschweißten Teil.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der vorliegenden Beschreibung ergeben. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine schematische Ansicht eines Systems zur Herstellung hochfester Verbundbleche durch Widerstandsfügen für eine Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung von hochfesten Verbundblechen für eine Batteriezelle, das durch das System in 1 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung umgesetzt wird.
3 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines hochfesten geklebten Blechstapels, der durch das Verfahren in 2 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung realisiert wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Die vorliegende Offenbarung stellt Systeme und Verfahren zur Herstellung von hochfesten geklebten Metallblechen aus Stapeln für Batteriezellen durch Widerstandsverbindungen wie Widerstandspunktschweißen bereit. Die hierin offengelegten Systeme und Verfahren bieten Möglichkeiten zur Herstellung hochfester geklebter Metallbleche von Stapeln, die sowohl eine Überlappungsscherfestigkeit als auch eine Karosserieschälfestigkeit für eine potenzielle Batteriepackarchitektur aufweisen. Darüber hinaus bietet die vorliegende Offenlegung Systeme und Verfahren, die sowohl das Überlappungsscher- als auch das Abziehverhalten von geklebten Metallblechen verbessern, indem sie sich eine mikrostrukturelle Entwicklung der Stapel zunutze machen, die durch Elektromigration während des Klebens verursacht wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt 1 ein System 10 zur Herstellung hochfester Verbundbleche für eine Batteriezelle. Wie dargestellt, umfasst das System 10 einen ersten Stapel 12 mit einem ersten Metallblech 14 und einem zweiten Metallblech 16. Außerdem sind das erste und das zweite Metallblech 14, 16 durch eine erste Überzugsschicht 20 getrennt.
Das erste Metallblech 14 bildet eine negative Seite 22 des ersten Stapels 12 und enthält ein erstes Material mit einem ersten Schmelzpunkt. Das zweite Metallblech 16 bildet eine positive Seite 24 des ersten Stapels 12 und enthält einen zweiten Werkstoff mit einem zweiten Schmelzpunkt. Vorzugsweise besteht das erste Material aus denselben Komponenten wie das zweite Material und der erste Schmelzpunkt ist derselbe wie der zweite Schmelzpunkt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass das erste Material aus anderen Komponenten bestehen kann als das zweite Material und dass der erste Schmelzpunkt ein anderer sein kann als der zweite Schmelzpunkt, ohne dass dies dem Geist oder dem Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung zuwiderläuft. So kann das erste Material beispielsweise aus Kupfer, Nickel oder Titan bestehen. Ebenso kann das zweite Material eines von Kupfer, Nickel und Titan sein. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, sind das erste und das zweite Material aus Kupfer hergestellt. In dieser Ausführungsform umfasst die erste Überzugsschicht 20 einen Schweißabschnitt 27 und einen dritten Werkstoff mit einem dritten Schmelzpunkt. Vorzugsweise besteht die erste Überzugsschicht 20 aus Nickelphosphid. In diesem Beispiel enthält die erste Überzugsschicht 20 zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 13 Gew.-% Phosphor in Nickel-Phosphid.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das System 10 ferner eine erste Elektrode 26 und eine zweite Elektrode 28, die so konfiguriert sind, dass sie den ersten Stapel 12 kontaktieren. Wie dargestellt, ist die erste Elektrode 26 so konfiguriert, dass sie die negative Seite 22 des ersten Stapels 12 berührt, und die zweite Elektrode 28 ist so konfiguriert, dass sie die positive Seite 24 des ersten Stapels 12 berührt. Wenn sie mit Strom versorgt werden, erhitzen die erste und die zweite Elektrode 26, 28 den ersten Stapel 12, um die Kristallisation von Nickel im Schweißbereich 27 der ersten Überzugsschicht 20 zu ermöglichen und Nickel-Phosphid aus dem Schweißbereich 27 zu entfernen, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Die Kristallisation des Nickels im Schweißnahtbereich definiert eine verbesserte Überzugsschicht, die im Folgenden näher beschrieben wird.
Vorzugsweise sind die erste und die zweite Elektrode 26, 28 zusammen mit einem mechanischen Belastungsmechanismus (nicht dargestellt) so konfiguriert, dass sie den Schweißabschnitt 27 der ersten Überzugsschicht 20 erhitzen, um Nickel-Phosphid aus dem Schweißabschnitt 27 zu schmelzen und die Kristallisation von Nickel darin zu ermöglichen, wodurch Nickel-Phosphid aus dem Schweißabschnitt 27 entfernt wird. So erhitzen die erste und die zweite Elektrode 26, 28 den Schweißabschnitt 27 der ersten Überzugsschicht 20 auf den dritten Schmelzpunkt, um die Kristallisation von Nickel im Schweißabschnitt 27 zu ermöglichen und Nickelphosphid daraus zu entfernen. Vorzugsweise erhitzen die erste und die zweite Elektrode 26, 28 den ersten Stapel 12 auf den dritten Schmelzpunkt, basierend auf dem prozentualen Gewichtsanteil von Phosphor im Nickel-Phosphid der ersten Überzugsschicht 20.
In dieser Ausführungsform umfasst die verbesserte Überzugsschicht kristallisiertes Nickel für eine hochfeste Festkörperbindung des ersten und zweiten Metallblechs 14, 16 an die verbesserte Überzugsschicht. Die verbesserte Überzugsschicht umfasst vorzugsweise etwa 70 Gew.-% bis 100 Gew.-% Nickel im gebundenen Teil 51 (dargestellt in 3).
Gemäß dieser Ausführungsform umfasst das System 10 ferner eine Stromquelle 30, die so konfiguriert ist, dass sie die erste und zweite Elektrode 26, 28 mit Strom versorgt, wie in 1 dargestellt. Wie dargestellt, ist die Stromquelle 30 mit den ersten und zweiten Elektroden 26, 28 verbunden. Darüber hinaus umfasst das System 10 ein Steuergerät 32, das mit der Stromquelle 30 in Verbindung steht und so konfiguriert ist, dass es die Stromversorgung der ersten und zweiten Elektroden 26, 28 steuert, um den ersten Stapel 12 zu beheizen.
In Übereinstimmung mit einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt 2 ein Verfahren 40 zur Herstellung hochfester Verbundbleche für eine Batteriezelle. Wie dargestellt, umfasst das Verfahren 40 die Bereitstellung des ersten Stapels 12, der das erste Metallblech 14 und das zweite Metallblech 16 umfasst, in einer Box 42. Außerdem sind das erste und das zweite Metallblech 14, 16 durch die erste Überzugsschicht 20 getrennt, wie in 1 dargestellt.
Wie bereits erwähnt, besteht das erste Metallblech 14 aus dem ersten Material mit dem ersten Schmelzpunkt. Darüber hinaus enthält das zweite Metallblech 16 das zweite Material mit dem zweiten Schmelzpunkt. Vorzugsweise besteht das erste Material aus denselben Bestandteilen wie das zweite Material und der erste Schmelzpunkt ist derselbe wie der zweite Schmelzpunkt. Es versteht sich j edoch von selbst, dass das erste Material aus anderen Komponenten bestehen kann als das zweite Material und dass der erste Schmelzpunkt ein anderer sein kann als der zweite Schmelzpunkt, ohne dass dies vom Geist oder Umfang der vorliegenden Offenbarung abweicht.
Das erste Material kann zum Beispiel aus Kupfer, Nickel oder Titan bestehen. Ebenso kann das zweite Material aus Kupfer, Nickel oder Titan bestehen. Vorzugsweise, aber nicht unbedingt, bestehen das erste und das zweite Material aus Kupfer.
Wie in der Ausführungsform von 1 umfasst die erste Überzugsschicht 20 den Schweißabschnitt 27 und den dritten Werkstoff mit dem dritten Schmelzpunkt. Vorzugsweise besteht die erste Überzugsschicht 20 aus Nickel-Phosphid. In diesem Beispiel enthält die erste Überzugsschicht 20 zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 13 Gew.-% Phosphor in Nickel-Phosphid.
Wie in 2 gezeigt, umfasst das Verfahren 40 ferner das Erhitzen des Stapels 12 in Kasten 44, um Nickelphosphid aus dem Schweißabschnitt 27 der ersten Überzugsschicht 20 zu entfernen und die Kristallisation von Nickel am Schweißabschnitt 27 zu ermöglichen. Der Schritt des Erhitzens kann durch das in 1 gezeigte System 10 zusammen mit einem mechanischen Belastungsmechanismus (nicht gezeigt) durchgeführt werden. Darüber hinaus definiert die Kristallisation des Nickels durch Erhitzen und mechanische Belastung eine verbesserte Überzugsschicht 56 (siehe 3), die einen gebundenen Abschnitt 51 umfasst, der kristallisiertes Nickel für eine hochfeste Festkörperbindung von Metallblechen an die verbesserte Überzugsschicht 56 enthält.
Es versteht sich, dass die erste Überzugsschicht 20 vor dem Erhitzen Nickel enthält, das sich in einem nichtkristallinen oder amorphen Zustand befindet. Ein amorpher oder nichtkristalliner Feststoff kann als ein Feststoff betrachtet werden, dem die für einen Kristall charakteristische Ordnung über lange Strecken fehlt. Das heißt, eine amorphe Struktur kann verwendet werden, um einen Festkörper zu beschreiben, der keine kristalline Struktur aufweist. In einem amorphen Festkörper kann zwar eine lokale Ordnung der Atome oder Moleküle vorhanden sein, aber in der Regel keine langfristige Ordnung.
Es versteht sich, dass die verbesserte Überzugsschicht zwischen etwa 70 Gew.-% und 100 Gew.-% kristallisiertes Nickel in dem gebundenen Teil enthält. Kristallisation kann als die Verfestigung von Atomen oder Molekülen in eine stark strukturierte Form, die als Kristall bezeichnet wird, angesehen werden. Ein Kristall oder kristalliner Feststoff kann als ein festes Material angesehen werden, dessen Bestandteile (wie Atome, Moleküle oder Ionen) in einer hoch geordneten mikroskopischen Struktur angeordnet sind und ein Kristallgitter bilden, das sich in alle oder verschiedene Richtungen erstreckt.
Während des Erhitzungsschritts werden die Komponenten des ersten und zweiten Blechs 14, 16 mit der verbesserten Überzugsschicht fest verbunden. Die Festkörperbindung kann als Bindung durch Materialinterdiffusion bei erhöhter Temperatur betrachtet werden. Auf diese Weise interdiffundieren die Metallkomponenten (z. B. Kupfer) des ersten und zweiten Blechs 14, 16 mit dem kristallisierten Nickel der verbesserten Schicht, was zu einem Stapel mit hochfesten, verbundenen Blechen mit verbessertem Abziehverhalten führt.
Wenn sie mit Strom versorgt werden, erzeugen die erste und die zweite Elektrode 26, 28 ein elektrisches Feld, das zu einer Erwärmung der Schweißstelle 27 der ersten Überzugsschicht 20 führt. Dann wird durch das elektrische Feld eine Elektromigration ausgelöst, bei der durch Zusammenstöße zwischen Elektronen und Nickelatomen kinetische Energie auf Nickelatome übertragen wird. Aufgrund der Geschwindigkeit und des Impulses der Elektronen, die durch eine dominante Elektronenkraft in Richtung der positiven Seite 24 des ersten Stapels 12 verursacht werden, bewegen sich die Nickelatome in Richtung der positiven Seite 24 des ersten Stapels 12. Im Schweißbereich führt die Elektromigration des Nickels zu einer höheren Konzentration (z. B. in Gewichtsprozent) von Nickel-Phosphid an der negativen Seite 22 und zu einer höheren Konzentration (z. B. in Gewichtsprozent) von Nickel an der positiven Seite 24 des ersten Stapels 12.
Die höhere Nickel-Phosphid-Konzentration im Schweißnahtbereich führt zu einem niedrigeren Schmelzpunkt, und das Nickel-Phosphid schmilzt. Durch die mechanische Belastung wird Nickel-Phosphid aus dem Schweißnahtbereich der ersten Überzugsschicht herausgedrückt oder -gepresst, wodurch sich die Nickelkonzentration im Schweißnahtbereich weiter erhöht und das Nickel bei weiterer Erwärmung kristallisiert. Außerdem kommt es zu einer Festkörperbindung zwischen den Bestandteilen (z. B. Kupfer) des ersten und zweiten Blechs 14, 16 und dem kristallisierten Nickel der verbesserten Überzugsschicht. Das Ergebnis ist ein hochfester Verbund von Blechen mit verbessertem Abziehverhalten.
Wenn die erste Überzugsschicht 20 beispielsweise etwa 2 Gewichtsprozent Phosphor aus Nickel-Phosphid (Ni-P) enthält, liegt der dritte Schmelzpunkt bei etwa 1350 Grad Celsius (C). Wenn die erste Überzugsschicht 20 etwa 8 Gewichtsprozent Phosphor aus Ni-P enthält, liegt der dritte Schmelzpunkt bei etwa 1050 C. Wenn die erste Überzugsschicht 20 außerdem etwa 11 Gewichtsprozent Phosphor aus Ni-P enthält, liegt der dritte Schmelzpunkt bei etwa 900 C.
In einem anderen Beispiel dieses Aspekts umfasst der Schritt des Erhitzens des ersten Stapels 12 das Aufbringen einer mechanischen Last auf den ersten Stapel 12, um das erste und das zweite Metallblech 14, 16 zu verbinden. Die mechanische Belastung kann zwischen etwa 100 Pfund und 500 Pfund liegen.
In diesem Beispiel umfasst der Schritt des Erhitzens ferner das Erhitzen des ersten Stapels 12 auf den dritten Schmelzpunkt, um die Kristallisation des Nickels im Schweißbereich der ersten Überzugsschicht 20 zu ermöglichen und das Nickel-Phosphid daraus zu entfernen. Das heißt, das Erhitzen des ersten Stapels 12 auf den dritten Schmelzpunkt schmilzt das Nickel-Phosphid im Schweißbereich der ersten Überzugsschicht 20. Durch die mechanische Belastung wird das Nickel-Phosphid aus dem Schweißnahtbereich der ersten Überzugsschicht 20 bewegt oder herausgedrückt, wodurch das Nickel-Phosphid daraus entfernt wird und die Kristallisation des Nickels darin ermöglicht wird. Vorzugsweise wird der erste Stapel 12 auf den dritten Schmelzpunkt, bezogen auf den prozentualen Gewichtsanteil von Phosphor im Nickel-Phosphid der ersten Überzugsschicht, erhitzt.
Es versteht sich, dass der Schritt des Erhitzens zwischen etwa 800 Grad C und etwa 1500 Grad C für eine Dauer von etwa 100 Millisekunden bis etwa 1000 Millisekunden liegen kann. In anderen Beispielen kann die Dauer länger oder kürzer sein, z. B. 0,05 Sekunden bis 60 Sekunden, ohne dass dies vom Anwendungsbereich oder Geist der vorliegenden Offenbarung abweicht.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt 3 einen hochfesten geschweißten Metallstapel oder verbesserten Stapel 50 für eine Batteriezelle. In dieser Ausführungsform wurden das System 10 und das Verfahren 40 implementiert, um den verbesserten Stapel 50 mit einem geschweißten oder geklebten Teil 51 herzustellen. Darüber hinaus umfasst der verbesserte Stapel 50 eine erste Metallschicht 52, die das erste Material mit dem ersten Schmelzpunkt enthält. Der verbesserte Stapel 50 umfasst ferner eine zweite Metallschicht 54, die das zweite Material mit dem zweiten Schmelzpunkt enthält.
Vorzugsweise besteht das erste Material aus denselben Komponenten wie das zweite Material und der erste Schmelzpunkt ist derselbe wie der zweite Schmelzpunkt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass das erste Material aus anderen Komponenten bestehen kann als das zweite Material und dass der erste Schmelzpunkt anders sein kann als der zweite Schmelzpunkt, ohne dass dies dem Geist oder dem Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung zuwiderläuft. So kann das erste Material beispielsweise aus Kupfer, Nickel oder Titan bestehen. Ebenso kann das zweite Material eines von Kupfer, Nickel und Titan sein. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, sind das erste und das zweite Material aus Kupfer hergestellt. Wie in 3 dargestellt, umfasst der verbesserte Stapel 50 außerdem eine verbesserte Überzugsschicht 56, die zwischen der ersten Metallschicht 52 und der zweiten Metallschicht 54 angeordnet ist. Im Verbundbereich 51 umfasst die verbesserte Überzugsschicht 56 kristallisiertes Nickel 57 und befindet sich in einer festen Verbindung mit der ersten und zweiten Metallschicht 52, 54 für eine hochfeste Verbindung. Wie dargestellt, besteht ein restlicher Teil 59 der verstärkten Überzugsschicht aus Nickel-Phosphid. Vorzugsweise besteht die verbesserte Überzugsschicht 56 in dem gebundenen Teil 51 zu etwa 70 bis 100 Gewichtsprozent aus kristallisiertem Nickel.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhaft, und Abweichungen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Verfahren zur Herstellung von hochfesten verbundenen Metallblechen für eine Batteriezelle, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Stapels, der ein erstes Metallblech und ein zweites Metallblech umfasst, wobei das erste und das zweite Metallblech durch eine erste Überzugsschicht getrennt sind, die erste Überzugsschicht Nickelphosphid umfasst, das erste Metallblech ein erstes Material mit einem ersten Schmelzpunkt enthält, das zweite Metallblech ein zweites Material mit einem zweiten Schmelzpunkt enthält, die erste Überzugsschicht einen Schweißbereich und ein drittes Material mit einem dritten Schmelzpunkt enthält; und Erhitzen des Stapels, um Nickelphosphid aus dem Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu entfernen und die Kristallisation von Nickel am Schweißbereich zu ermöglichen, wodurch eine verbesserte Überzugsschicht definiert wird, die kristallisiertes Nickel für eine hochfeste Festkörperbindung des ersten und zweiten Metallblechs an die verbesserte Überzugsschicht enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Material das gleiche ist wie das zweite Material und der erste Schmelzpunkt der gleiche ist wie der zweite Schmelzpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Material ein anderes ist als das zweite Material und der erste Schmelzpunkt höher ist als der zweite Schmelzpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Material eines von Kupfer, Nickel und Titan ist und wobei das zweite Material eines von Kupfer, Nickel und Titan ist.
System nach Anspruch 1, wobei die verbesserte Überzugsschicht etwa 70 bis 100 Gew.-% Nickel im Schweißbereich aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Überzugsschicht zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 13 Gew.-% Phosphor in Nickelphosphid enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erhitzens des Stapels umfasst: Aufbringen einer mechanischen Last auf den Stapel zum Verbinden des ersten und zweiten Blechs; und Erhitzen des Stapels auf den dritten Schmelzpunkt, um die Kristallisation des Nickels im Schweißbereich der ersten Überzugsschicht zu ermöglichen und das restliche Nickelphosphid aus dem Schweißbereich zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erhitzens des Stapels umfasst: Aufbringen einer mechanischen Last auf den Stapel zum Verbinden des ersten und zweiten Blechs; Schmelzen des Nickel-Phosphids an der Schweißstelle der ersten Überzugsschicht; und Bewegen des Nickel-Phosphids aus dem Schweißbereich durch die mechanische Belastung, um die Kristallisation des Nickels in der ersten Überzugsschicht zu ermöglichen und das restliche Nickel-Phosphid aus dem Schweißbereich zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erhitzens das Erhitzen des Stapels auf den dritten Schmelzpunkt auf der Grundlage des prozentualen Gewichtsgehalts von Phosphor in Nickelphosphid der ersten Überzugsschicht umfasst.