TWI485915B - 高功率電化學電池中內部連接之外加雷射熔接的方法與設計 - Google Patents

Description

高功率電化學電池中內部連接之外加雷射熔接的方法與設計

本發明是有關於一種電化學電池(electrochemical cell)，且特別是有關於利用雷射熔接以達成內部元件高強度且低阻抗的電接觸。

本申請案主張2008年11月25日申請之名稱為”Method and Design for Externally Applied Laser Welding of Internal Connections in a High Power Electrochemical Cell”的美國(U.S.)臨時申請案號61/117760之權益，該專利申請案之揭露內容以參考之方式併入本文中。

在一電化學電池中，例如一電池單元(battery cell)，電流自一電池電極箔(foil)傳遞至一位於中央的終端。電極箔可以直接連接至中央終端，或者也可以是透過一個電流收集襟片(tab)而連接至中央終端。在某些習知的能量傳送裝置中，電極箔或襟片在其連接至中央終端的平面方向與電池的長軸大致一致。使用此種連接方式在電池內於垂直方向上需要相當大的空間。

習知的使用超音波、電阻或其他熔接方法以連接電極襟片需要內部電池單元元件，例如襟片，可接近的熔接砧(weld anvil)、電極、雷射光束等。提供了一種由美國專利申請號：12/135,708(用於高電流容量能量傳遞裝置的端帽組合)所揭露的習知之連接技術。

圖1為習知之一種鋰離子電池單元10的示意圖。電 池單元10包括接頭端20以及非接頭端30。圖2為電池單元10之接頭端20分離的示意圖。延伸襟片40用於使接頭端20電耦合至電池單元10的內部工作。更詳細而言，延伸襟片40為在負極端子50及配置在墊片70下的負電流收集電極襟片60之間的導通管道。雖然在此架構中延伸襟片是必需的，但其也會佔據電池可額外用以提供一較高容量電池的體積。保持一正電勢的正電極端80電耦合至電池10。施加徑向的熔接以使電極襟片60連接至模仁90並且產生熔接記號94。

本實施例提供用於電化學電池中的末端-內嵌端帽(end-cap insert)，此末端-內嵌端帽特別設計來允許雷射能量能穿透過至少一電極襟片。此內嵌端帽設計同時也提供限制圓形的熔接路徑的功能以確保在下方的電極襟片彼此之間完全無空隙且部分重疊。沒有內部空隙的存在，藉由雷射產生的鎖孔(laser generated keyhole)所形成的所有銲濺物(spatter)噴濺於電池外，因此可以減少當熔接電池的內部元件時與自由金屬粒子相關的危險。

在本發明的一實施例中，一電化學電池具有一電池罐、配置於電池罐內的一模仁，以及具有朝向遠離模仁之一外表面的內嵌端帽。至少一電極襟片配置於內嵌端帽以及模仁之間。內嵌端帽、至少一電極襟片以及模仁藉由外部雷射光束而熔接並電耦合。熔接使從內嵌端帽的外表面延伸至模仁的被熔接元件發生物理轉變。

在本發明的另一實施例中，提供一種外部連接一電化學電池的內部元件的方法。此方法包括提供一電池罐；將至少一電極襟片配置於電池罐中；將一模仁嵌入電池罐；將一內嵌端帽相對於模仁而置放；以及提供一外部雷射光束至內嵌端帽，其中內嵌端帽、至少一電極襟片，以及模仁由自內嵌端帽延伸至模仁的熔接部而電耦合。

在上述任一實施例中，內嵌端帽為電池的陰極電勢以及陽極電勢的其中之一。熔接部沿著電化學電池的軸向延伸並且開始於內嵌端帽的空心區。熔接部穿透內嵌端帽以及至少一電極襟片。

在上述任一實施例中，熔接部完全地容納於內嵌端帽、至少一電極襟片以及模仁中。

在上述任一實施例中，熔接部未穿過任何內嵌端帽、至少一電極襟片及模仁之間的內部間隙。

在上述任一實施例中，端帽圍繞內嵌端帽並藉由縫熔接(seam weld)而裝附至電池罐。

在上述任一實施例中，端帽與電池罐有不同的電勢。內嵌端帽具有正電勢，且其材質包括鋁。內嵌端帽具有負電勢，且其材質為選自於鐵、鋼、鎳鍍鋼、鎳、不鏽鋼、銅及銅合金所構成的族群。

在上述任一實施例中，一鉚釘圍繞內嵌端帽而設置。內嵌端帽可為負極端子的一部分，且鉚釘包含鎳鍍鋼。在又一實施例中，鉚釘及模仁為一體成型或為單一組件。

在上述任一實施例中，熔接部為一鎖孔熔接部。熔接 部可形成近似於一半的至少一電極襟片之寬度的一環形路徑，所以合成的熔接部是完全地被限制在包含內嵌端帽、至少一電極襟片以及模仁的一材料固體堆疊中。

在上述任一實施例中，內嵌端帽呈杯狀且外部雷射光束沿著受內嵌端帽中的空心部限制的環形路徑行進。

在上述任一實施例中，內嵌端帽上塗佈有一非多孔黏著劑聚合物。

本發明的實施例提供較習知技術佔據較少空間的杯狀設計，以更為有效地利用體積以及重量。據此，較大量的有效質量可建立於電化學電池中。上述的特徵可以彼此結合而實施。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明利用外部雷射能量以電連接一端帽元件至電池單元的內部元件。鎖孔熔接(keyhole welding)可以用於一高功率，雷射光束引起被熔接部件有一氣穴(vapor cavity)，此氣穴之後會被填滿液體金屬。也可用除了雷射熔接以外的其它熔接手段以達到外部熔接。可執行的熔接方法包括電子束熔接(electron beam welding)、電漿弧熔接(plasma arc welding)，或是電阻熔接(resistance welding)。焊接(soldering)或硬銲(brazing)技術也可以用於連接這些部件。

圖3A為依據本發明一實施例之一電池單元的橫剖面 圖，其說明在一高功率鋰離子電池單元100中，被熔接的元件包含一內嵌端帽120、電極襟片130以及捲心(jellyroll)模仁140。這些元件通過將端帽組裝至容納這個圓的捲心模仁140的電池罐以彼此連接，如此使內嵌端帽120、電極襟片130以及該捲心模仁140在實施熔接前配置於其組裝位置。在本實施例中，捲心為圓柱形。

由外部產生的雷射能量110直射至內嵌端帽120的表面，且其後並藉由形成雷射熔接柱或熔接塊150以穿透及熔接內嵌端帽120至在下方的襟片130及支撐模仁140。在一實施例中，例如一近似於4公釐(mm)的熔接直徑幫助確認熔接部完全穿透所有8公釐的襟片層，例如寬電極襟片130，從而大幅減少或者徹底地排除電池單元內部的銲濺物的風險。據此，可以減小雷射能量110穿透模仁140的任何部位以及損害捲心的風險。雷射路徑的直徑需要固定尺寸以避免包含電極間的間隙(gaps)或空間(spaces)。內嵌端帽120的表面具有厚度使雷射可以有效穿透。在一實施例中，內嵌端帽120受雷射照射的部位有近似於0.5公釐的厚度。

一個直徑減小的模仁140可用於且可能減少兩個最內部的襟片130的翻轉彎折需求。內嵌端帽120通過鉚釘121穩固地裝設至電池單元100上，其設計用於減少外部雷射110需穿透能有效地將所有的電極襟片130結合在一起的材料量，以及用於減少會負面地影響電池單元之操作的周圍元件的過度加熱。此似杯狀設計的內嵌端帽120限制一 鎖孔熔接路徑以及藉由減少於電化學電池中產生小且自由流動的金屬粒子及熔融材料，以保持銲濺物於電池之外，有利於內部元件的內部熔接。

某些材料電化學地適用於鋰離子電池單元的正電極電勢，而某些材料電化學地適用於鋰離子電池單元的負電極電勢。在一些實施例中，電池單元中可適用於一電勢的材料並不能適用於另一相反的電勢。用於電池之正電勢部份的材料為鋁以及鋁合金。這些材料具有可藉由普遍可用的雷射科技來熔接的優點。

用於製作鋰離子電池之負電勢之元件的材料包括鐵、鋼、鎳鍍鋼、鎳、不鏽鋼以及銅或銅合金，例如硫鐵礦類以及銅器。在本發明的一實施例中，內嵌端帽120是由高淨度的鎳(Ni 200或Ni 201)製成，其可以容易地與銅熔接，其中銅是用於製作襟片130的一種材料。銅通常是用於鋰離子電池之負電極襟片的一種材料。銅較鎳具有相當低的電阻率。銅也較鎳能促進達到較大的體積以及重量功率密度。使用銅的缺點在於當利用熔化熔接(fusion welding)方式與鋼連接時，熔接部中容易會發生裂縫(cracks)，使得熔接的本質不可靠。然而，利用雷射熔接，鎳可以良好地與銅連接，且其為用於製作內嵌端帽設計的一種材料。鎳同樣也可以與鎳鍍鋼有良好的連接，其為一種製作電池之負極端子之鉚釘元件的材料。當內嵌端帽是由易受大氣腐蝕的材料製作時，例如將鋼或鎳鍍鋼應用於製作內嵌端帽時，一非多孔黏著劑聚合物塗佈層，例如環 氧樹脂或丙烯酸可用於防止腐蝕性環境。

圖3B為另一電池單元使用圖3A之熔接元件的橫剖面圖，其包括藉由熔接塊150彼此電連接的內嵌端帽120、電極襟片130以及捲心模仁140以提供一高功率的鋰離子電池單元100。依據一實施例，內嵌端帽120覆蓋於配置在內嵌端帽120之通氣孔170上的一密封蓋160。通氣孔170延伸穿過內嵌端帽120的底部。密封蓋160可藉由提供一熔接部162而連接至內嵌端帽120，例如，熔接部162環繞密封蓋160的上緣。

由熔接塊或其他形式的熔接部150所形成之圓形熔接使電池100的內部區域以及外部區域之間緊密的密封。熔接部150也使連結在一起的元件於結構上更為穩固且更使這些元件之間彼此電性連接。在某些情況下，裂縫或缺陷的增長會讓熔接塊150無法達成密封。在本實施例中，氣孔170的設置可防止熔接部150完全密封。此外，舉例而言，熔接部150利用延伸熔接部至大約近似350度以形成小於一360度的圓。當未確定是一緊密的密封時，延伸熔接部至350度或小於360度仍然能夠提供所需之結構的完整以及使連結在一起的元件彼此之間電性傳導。相對的，內嵌端帽120藉由密封蓋160而緊密地密封。當密封蓋160嵌入之後，可實施一洩漏測試(leak test)。此洩漏測試可以用任何合適的方式進行，例如該技術領域者所知悉的藉由將氮氣或氦氣注入電池時的加壓(pressurization)並且監視漏出的氣體。

在未依靠熔接部150提供密封的情況下，測試(testing)可以決定單獨的密封蓋是否便足以提供緊密的密封。這可以減少對於一持續密封且經洩漏測試後未有洩漏存在的情況下有不正確的信賴，且此時是由熔接部150暫時性地取代密封蓋160來進行密封。當密封蓋160從一開始即有缺陷，且電池仍然通過洩漏測試，緊密的密封情況會因為熔接部150之後的惡化或缺陷的增長而消除或減弱。此情況提升對於熔接部150較密封蓋160更易於及時增加缺陷的考量。若可知從一開始即是由合適的密封蓋160取代熔接部150來進行密封，那麼對於電池能夠維持長時間的密封會較有信心。

請參考圖4，其是一外部雷射熔接塊的橫剖面示意圖。外部雷射光束能量110直接穿過內嵌端帽120，所以電極襟片130熔接至捲心模仁140。此被熔接的材料從內嵌端帽120的內表面以環繞的方式延伸至捲心模仁140。本實施例之熔接塊顯示出鎖孔雷射熔接的典型形狀。也可以用其它的熔接型式，例如傳導熔接(conduction welding)。傳導熔接對於材料較不具侵略性，但大量的熱會傳遞至周圍的元件。鎖孔熔接較傳導熔接更為集中且通常使用一較高的尖峰功率以在短時間內爆裂(burst)。此熔接是沿著內嵌端帽120的內部環狀運動來實現。

圖5A為另一實施例，其包括一終端陰極帽300A及一體成型的內嵌端帽310A。在此實施例中，電池的一終端或兩終端可以與電池罐(未繪示)電性絕緣。圖5B為終端 陰極帽300A的底部300B以及包含當組裝時會對電極擠壓的一突出部310B的示意圖。圖5C為內嵌端帽310A、氣孔420以及填充孔440的橫剖面圖。圖5A~圖5C所示的實施例考慮到外部雷射熔接從內嵌端帽310A之朝外的接觸底面延伸穿過突出部310B並且延伸至捲心模仁140，如上所述。

如圖6示，一端帽組合400具有可選擇而使用的內嵌端帽410。外部雷射能量直射入內嵌端帽410之位於內部且朝外的接觸面422以將位於下方的電極襟片電連接至模仁，其連接方式如上述。氣孔420設置於內嵌端帽410內以釋放電池單元內漸大的壓力。鉚釘460環繞內嵌端帽410而配置，並且連接至內嵌端帽410以提供與外部裝置的電接觸。鉚釘460可由可適用於電化學的電池的一可導電及導熱的材料製成。

墊片430利用連接元件以緊配於內嵌端帽410。聚合物襯墊470配置於電池的端帽及襟片之間以密封。其他材料例如以玻璃為基礎的介面也可以使用以形成密封。襯墊470在端帽平板450以及鉚釘460之間提供一液密式密封及電絕緣。填充孔440用於添加電解液至電池中。端帽平板450環繞鉚釘460，如此使端帽組合400與電池罐結合為一體。內嵌端帽410可作為陰極或陽極連接的一部件。

請參考圖7，為一實施例之一體成型的陰極端帽設計。此設計與如圖6所示之非一體成型的實施例相似；然而，鉚釘500以及內嵌端帽510以一單一元件的型式製作。 如圖7所示，螺紋520用於使電化學電池裝設至一需要能量的裝置或其他電池。

請參考圖8，在又一實施例中，包含一整體的陰極帽/電池罐設計，具有一內嵌端帽610以作為電池罐600的一部件。除了消除熔接粒子進入電池的可能性，本實施例的一優點為架構電池所需要的部件較少。如圖8所示，本實施例之電池的一終端與電池罐600絕緣。因為對於負極端子所使用的花費(cost)以及材料特性，此絕緣終端或非整體終端適合用作負極端子。舉例而言，如果使用鋁作為整體終端，電池罐600的整體架構較輕。材料腐蝕的可能性較電池的負電勢少。在本實施例，電池的內部元件通過電池的開口端以配置於電池罐600內。內嵌端帽610允許外部雷射能量以環繞的方式射穿過開口640以將電極襟片固定至模仁，如圖3A及圖3B所示的例子。氣孔420以及填充孔440也包含在內，且在非整體端帽/電池罐組合中以相同的形式來操作。

依據本發明，上述之不同實施例的特徵可以彼此組合來實施。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電池單元

20‧‧‧接頭端

30‧‧‧非接頭端

40‧‧‧延伸襟片

50‧‧‧負極端子

60‧‧‧電極襟片

70‧‧‧墊片

80‧‧‧正電極端

90‧‧‧模仁

94‧‧‧熔接記號

100‧‧‧電池單元

110‧‧‧外部雷射

120‧‧‧內嵌端帽

121‧‧‧鉚釘

130‧‧‧電極襟片

140‧‧‧捲心模仁

150‧‧‧熔接部

160‧‧‧密封蓋

162‧‧‧熔接部

170‧‧‧通氣孔

300A‧‧‧終端陰極帽

300B‧‧‧底部

310A‧‧‧內嵌端帽

310B‧‧‧突出部

400‧‧‧端帽組合

410‧‧‧內嵌端帽

420‧‧‧氣孔

422‧‧‧接觸面

430‧‧‧墊片

440‧‧‧填充孔

450‧‧‧端帽平板

460‧‧‧鉚釘

470‧‧‧聚合物襯墊

500‧‧‧鉚釘

510‧‧‧內嵌端帽

520‧‧‧螺紋

600‧‧‧電池罐

610‧‧‧內嵌端帽

640‧‧‧開口

圖1為習知的一種電化學電池設計。

圖2為習知之電化學電池之接頭端分離的示意圖。

圖3A為一應用電極襟片之外部雷射熔接的電池單元設計的橫剖面圖。

圖3B為一應用密封蓋之電池單元設計的橫剖面圖。

圖4為提供一熔接部穿過襟片堆疊並進入模仁之一外部雷射光束熔接塊的橫剖面圖。

圖5A為本發明一實施例之具有一內嵌端帽之陰極帽的示意圖。

圖5B為本發明一實施例之陽極帽的示意圖。

圖5C為本發明一實施例之具有一內嵌端帽之陰極帽的橫剖面圖。

圖6為本發明一實施例之非一體成型的陰極端帽/內嵌端帽設計的橫剖面圖。

圖7為本發明一實施例之一體成型的陰極端帽/內嵌端帽設計的橫剖面圖。

圖8為本發明一實施例之與端帽一體成型之一電池罐的橫剖面圖。

100‧‧‧電池單元

110‧‧‧外部雷射

120‧‧‧內嵌端帽

121‧‧‧鉚釘

130‧‧‧電極襟片

140‧‧‧捲心模仁

150‧‧‧熔接部

Claims (20)

1. 一電化學電池，包括：一電池罐(canister)；一模仁(core insert)，配置於該電池罐內；一內嵌端帽(end cap insert)，該內嵌端帽具有朝向該模仁並與該模仁相隔的一外表面；以及至少一電極襟片(electrode tab)，配置於該內嵌端帽以及該模仁之間，其中該內嵌端帽、該至少一電極襟片以及該模仁由一電池罐的外部熔接電源所提供的一整體的熔接部而形成電耦合，該熔接部包括該內嵌端帽、該至少一電極襟片以及該模仁的物理轉變，此物理轉變由該內嵌端帽的該外表面延伸至該模仁，且其中在透過熔接該內嵌端帽、該些電極襟片及該模仁而組裝該電化學電池之後，在該電化學電池中形成該熔接部穿過該內嵌端帽的該外表面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該熔接電源為一雷射光束，而該物理轉變包括使熔融材料固化。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該熔接部於電化學電池的軸向延伸以及開始於該內嵌端帽的一空心區。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該熔接部在電池之軸向穿過該內嵌端帽的一凹陷部分及該至少一電極襟片的整體厚度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該熔接部完全地容納於該內嵌端帽、該至少一電極襟片及該模仁中。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該熔接部未穿過該內嵌端帽、該至少一電極襟片及該模仁之間的任何內部間隙。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中一端帽圍繞該內嵌端帽以及以縫熔接而裝附至該電池罐。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電化學電池，其中該端帽與該電池罐有不同的電勢。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該內嵌端帽具有正的電勢且其材質包括鋁。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該內嵌端帽具有負的電勢且其材質為選自鐵、鋼、鎳鍍鋼、鎳、不鏽鋼、銅及銅合金所構成的族群。
11. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中一鉚釘環繞該內嵌端帽而設置。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電化學電池，其中該內嵌端帽為一負極端子的一部件且該鉚釘的材質包括鎳鍍鋼。
13. 如申請專利範圍第11項所述之電化學電池，其中該鉚釘及該模仁為一體成型。
14. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該熔接部為一鎖孔熔接部。
15. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該熔接部形成一半的該至少一電極襟片之寬度的一環形路徑，所以合成的該熔接部是完全地被限制在包含該內嵌端帽、該至少一電極襟片以及該模仁的一材料固體堆疊中。
16. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該內嵌端帽呈杯狀。
17. 如申請專利範圍第2項所述之電化學電池，其中該外部雷射光束依循一環形路徑且該內嵌端帽具有限制該環形路徑的一空心部。
18. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其中該內嵌端帽上塗佈有一非多孔黏著劑聚合物。
19. 如申請專利範圍第1項所述之電化學電池，其更包括裝附於該內嵌端帽的一密封蓋，以使該內嵌端帽與該電化學電池的內部區域之間密封。
20. 如申請專利範圍第19項所述之電化學電池，其中該內嵌端帽包括延伸穿過該外表面的一通氣孔。