TWI727922B - 低鎳之多層疊層複合物 - Google Patents

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Abstract

一種與已知實施例相比具有較合意電性質之多層金屬疊層包含包覆在一起之多層金屬薄片。多層疊層複合物至少包含：一第一金屬層，其具有良好焊接性質，諸如市售鎳或鎳合金；一第二金屬層，其具有良好電阻熔接性質，諸如市售鋼或不銹鋼；一第三金屬層，其具有低電阻率性質，諸如市售銅及銅合金；一第四金屬層，其具有良好電阻熔接性質，諸如市售鋼或不銹鋼；及一第五金屬層，其具有良好焊接性質，諸如市售鎳或鎳合金。

Description

低鎳之多層疊層複合物 相關申請案交叉參考
本發明自於2014年6月4日提出申請之臨時專利申請案第62/007,679號主張優先權，該臨時專利申請案之揭示內容為本文所依賴且以引用之方式併入本文中。
本發明係關於一種具有一特定金屬或金屬合金之多個層之疊層複合物。該疊層複合物至少包括：一第一金屬層，其具有良好焊接性質，諸如市售鎳或鎳合金；一第二金屬層，其具有良好電阻熔接性質，諸如市售鋼或不銹鋼；一第三金屬層，其具有低電阻率性質，諸如市售銅及銅合金；一第四金屬層，其具有良好電阻熔接性質，諸如市售鋼或不銹鋼；及一第五金屬層，其具有良好焊接性質，諸如市售鎳或鎳合金。
以往，一電池組中之個別電池之間的電連接通常藉助一市售鎳金屬條帶進行。鎳已由於多個優點而成為用作一電池組中之個別電池之間的一電連接之一常見材料。鎳條帶之優點包含良好耐腐蝕性、電阻熔接性質及低電阻率、藉由點熔接之良好結合性及針對終端連接之良好可焊接性。此外，針對鋰離子電池在低電力「能量」區段(例如，個人電腦筆記本、行動電話、平板電腦、數位相機等)中之使用，純鎳之導電性質已足以使電池組之有害加熱最小化。
然而，隨著已演進較高電力應用(例如，電動自行車、電動交通工具及能量儲存裝置)，對一較高導電率連接材料之需要已變得顯而易見，以便使可使電池效能及安全性降級之電阻性加熱最小化。該需要在其中電及熱流集中至一較小剖面區中且其中眾多單元在彼剖面區中導致累積加熱效應之匯流排連接中尤其重要。舉例而言，一能量儲存應用中之單元之數目可超過20,000個個別單元。
在市場中開發具有對鎳金屬商品市場之較小敏感度之一較低成本連接材料亦係合意的。因此，開發具有一較低總鎳含量同時保持或超過導電率、導熱率、可熔接性、可焊接性、強度及可成形性之有益性質之一材料係合意的。
術語「可焊接性」係定義為一金屬基板被熔融焊料浸濕之能力。良好電阻熔接性質藉由將熔接在一起之兩個系統之性質表徵。具有包含相容熱性質及熔融特性之系統且由於兩個系統之熔接而無有害或脆性金屬相形成係有利的。「電阻率」(其係導電率之倒數)係作為一材料性質的材料對電流流動之阻力之一量測。其透過對電流載運剖面之考量而容易地被轉換為電阻。
術語「接合」包含金屬層之透過一冶金接合之黏合或結合。用於形成此接合之技術涉及包含輥壓接合(冷或熱)、熔接、爆炸接合、擴散接合、電沈積、黏合接合及熟習此項技術者已知之其他技術之習用程序。
在具有夾在兩種較強合金之間的一軟銅之疊層複合物或系統之輥壓接合中，尤其針對該軟銅之較高厚度部分，存在挑戰。主要問題係較強外側層之厚度之循環變化，此導致性質之不一致性。此等挑戰已限制過去對用於一電池組中之個別單元之間的電連接之一優越導電率系統之引入。對熟習此項技術者而言，具有一較厚銅層及較高導電率及導熱率之一系統係合意的。一商業純鎳之一實例係UNS N02201 鍛造金屬條帶。UNS(「金屬及合金之統一編號系統(Unified Numbering System for Metals and Alloys)」之簡稱)係金屬之一系統名稱。由於元素鎳之高度不穩定價格，因此開發具有等效於習用鎳系統之效能之一低鎳之多層疊層係高度合意的。
本文中闡述一種比起已知實施例來具有經改良性質之多層疊層複合物或系統。該多層疊層複合物至少包含：一第一金屬層，其具有良好焊接性質，諸如市售鎳或鎳合金；一第二金屬層，其具有良好電阻熔接性質，諸如市售鋼或不銹鋼；一第三金屬層，其具有低電阻率性質，諸如市售銅及銅合金；一第四金屬層，其具有良好電阻熔接性質，諸如市售鋼或不銹鋼；及一第五金屬層，其具有良好焊接性質，諸如市售鎳或鎳合金。
更具體而言，該多層疊層複合物包括：一第一金屬合金，其由市售鎳或鎳合金組成；一第二金屬合金，其由市售鋼或不銹鋼組成；一第三金屬層，其由市售銅及銅合金組成；一第四金屬層，其由市售鋼或不銹鋼組成；及一第五金屬層，其由市售鎳或鎳合金組成。
因此，本發明囊括由以下各項組成之一多層疊層複合物：一第一金屬層，其具有良好焊接性質，選自市售鎳或鎳合金；一第二金屬層，其具有良好電阻熔接性質，選自市售鋼或不銹鋼；一第三金屬層，其具有低電阻率，選自市售銅或銅合金；一第四金屬層，其具有良好電阻熔接性質，選自市售鋼或不銹鋼；一第五金屬層，其具有良好焊接性質，選自市售鎳或鎳合金。
可依據對詳細說明及圖式之一閱讀及理解來認識本發明之此等及其他態樣。
10:低鎳之多層疊層複合物或系統/多層疊層複合物/疊層 複合物/五層疊層複合物/疊層系統/包覆材料
12:中心層/第三層
14:內層/內部層/第二層
16:內層/內部層/第四層
18:外層/外部層/第一層
20:外層/外部層/第五層
100:鋰離子單元/圓柱形電池單元/電池單元/單元
102:端帽
104:電池組/小電池組
106:電池組/較大電力模組
200:連接器突片
圖1展示根據本發明之一多層金屬疊層複合物。
圖2係識別電阻率與導電率之間的轉換之一表。
圖3係一單個電池單元及連接至此之一疊層複合物突片之一俯視透視圖。
圖4係一單個電池單元及連接至此之一疊層複合物突片之一仰視透視圖。
圖5係包含與疊層複合物突片連接之多個電池單元之一電池組之一透視圖。
圖6係包含與疊層複合物突片連接之多個電池單元之一第二電池組之一透視圖。
圖7係詳述疊層複合物之各種實施例之層構成、物理性質及機械性質之一表。
本文中闡述一低鎳之多層疊層複合物或系統10。多層疊層複合物10展現良好焊接特性、良好電阻熔接性質及低電阻率性質。疊層複合物10藉由此項技術中已知之一「冷」接合程序(諸如以引用之方式併入本文中且為本文所依賴之美國專利申請公開案第2009/0169918號中所闡述)而製造。
在圖1中圖解說明之實施例中展示多層疊層複合物10之特定組成。圖1中所展示之實施例係針對具有五個層之疊層複合物10。此五層實施例包含由具有低電阻率之一金屬合金製成之一中心層12。在所圖解說明實施例中，此中心層12由銅或銅合金製成以達成所要性質。中心層12夾在具有良好電阻熔接性質之一金屬合金之兩個內層或內部層14、16之間。在所圖解說明實施例中，此等內部層14、16由鋼或不銹鋼製成。經組合中心層12與內部層14、16進一步夾在具有良好焊接 性質之一金屬合金之兩個外層或外部層18、20之間。在所圖解說明實施例中，外層18、20由鎳或鎳合金製成。
更具體而言，注意圖1中之實施例，已發現具有以下組合之疊層複合物10具有所要性質：
˙第一項五層實施例：
￭第一層(18)：1.5% N02201
￭第二層(14)：31.5% S43000
￭第三層(12)：34% C10200
￭第四層(16)：31.5% S43000
￭第五層(20)：1.5% N02201。
˙第二項五層實施例：
￭第一層(18)：1.4% N02201
￭第二層(14)：28.6% S43000
￭第三層(12)：40% C10200
￭第四層(16)：28.6% S43000
￭第五層(20)：1.4% N02201。
˙第三項五層實施例：
￭第一層(18)：1.6% N02201
￭第二層(14)：32.4% S30403
￭第三層(12)：32% C10200
￭第四層(16)：32.4% S30403
￭第五層(20)：1.6% N02201。
˙第四項五層實施例：
￭第一層(18)：1.3% N02201
￭第二層(14)：27.7% S30403
￭第三層(12)：42% C10200
￭第四層(16)：27.7% S30403
￭第五層(20)：1.3% N02201。
˙第五項五層實施例：
￭第一層(18)：0.85% N02201
￭第二層(14)：17.65% S30403
￭第三層(12)：63% C10200
￭第四層(16)：17.65% S30403
￭第五層(20)：0.85% N02201
˙第六項五層實施例：
￭第一層(18)：0.3% N02201
￭第二層(14)：8.2% S30403
￭第三層(12)：83% C10200
￭第四層(16)：8.2% S30403
￭第五層(20)：0.3% N02201
˙第七項五層實施例：
￭第一層(18)：8% N02201
￭第二層(14)：32% S30403
￭第三層(12)：20% C10200
￭第四層(16)：32% S30403
￭第五層(20)：8% N02201
˙第八項五層實施例：
￭第一層(18)：2.3% N02201
￭第二層(14)：37.7% S30403
￭第三層(12)：20% C10200
￭第四層(16)：37.7% S30403
￭第五層(20)：2.3% N02201
在此五層實施例中，預期疊層複合物10將維持與鎳相比之一高得多的導電率，此可為有利的，尤其針對較高電力應用。舉例而言，針對以上具有34% C10200之實施例之混合規則模型建議28.4歐姆-圓-密耳(Ohms-Circ-Mil)/英尺(0.047微歐姆-米)之一電阻率，其對應於36.6% IACS(「國際退火銅標準(International Annealed Copper Standard)」)之一導電率。10%與30%之間的一預期之降級(由於條帶處理期間之退火)將導致25.6% IACS與32.9% IACS之間的一預期之導電率。發現實際降級在針對0.0118"之一最終厚度之5.7%與針對0.004"之一最終厚度之11.5%之間變化。
疊層複合物10之可焊接性測試已為定性的。電阻熔接測試已根據定義為個別電池組104(如本文中所進一步闡述及圖5中所展示)之間的熔接引弧板110至陽極及陰極蓋及罐之最終應用特有。電阻率/導電率已在工程試驗期間量測。該複合物之導電率介於20%IACS至80%IACS之範圍內。電阻率已在17.1歐姆-圓-密耳/英尺與40歐姆-圓-密耳/英尺之間變化，等效於0.0285微歐姆-米至0.0664微歐姆-米之一範圍。此轉換為60.4% IACS至26%IACS之間的導電率。此等導電率優於針對純鎳金屬條帶之範圍。圖2之表中展示電阻率與導電率之間的轉換。
在圖1中圖解說明之第一實施例中，五層疊層複合物10以將導致經改良導電率之一方式接合。此分析係基於關於此等材料之知識及經驗。特定而言，導電率之一降低以接合程序之後的一經增加退火溫度來表徵。使S30400不銹鋼層退火以針對應用提供適合延展性對產品係重要的。然而，在條帶處理期間退火將導致% IACS導電率之一適度降級。舉例而言，預測針對以上第四實施例(42% C10200)之疊層複合物10之一理論混合規則模型導致24.1歐姆-圓-密耳/英尺(0.040微歐姆-米)之一電阻率，其對應於43.1% IACS(「國際退火銅標準」)之一 導電率。由於因條帶退火之導電率之適度降級，因此條帶處理導致在0.005"最終厚度下35.2% IACS之實際導電率及在0.0098"厚度下38.5% IACS之實際導電率。
本發明之其他態樣包含藉由以下操作控制疊層複合物10之電阻率：1)使金屬層系統、尤其銅材料之量之比率變化；2)使合金材料、尤其銅合金變化；3)使用變化之退火溫度來變更擴散混合。
針對後一點，可藉由利用退火溫度來將圖1中展示之五層實施例製作為定製導電率。
因此對應於圖1中之實施例，製造具有圖1中展示之層構成且具有以下尺寸之疊層複合物10：
˙1.5% N02201/31.5% S43000/34% C10200/31.5% S43000/1.5% N02201。
˙1.4% N02201/28.6% S43000/40% C10200/28.6% S43000/1.4% N02201。
˙1.6% N02201/32.4% S30403/32% C10200/32.4% S30403/1.6% N02201。
˙1.3% N02201/27.7% S30403/42% C10200/27.7% S30403/1.3% N02201。
˙0.85% N02201/17.65% S30403/63% C10200/17.65% S30403/0.85% N02201。
在此實施例中，預期疊層系統10維持一高得多的導電率，此在各種應用中可為有利的，尤其針對較高電力應用。疊層系統10的導電率範圍介於29.0%至80%IACS之間。在部分實施例中，疊層系統的導電率範圍介於38.0% IACS至60.4% IACS之範圍內。舉例而言，針對以上具有63% C10200之第五實施例之混合規則模型建議16.5歐姆-圓-密耳/英尺(0.027微歐姆-米)之一電阻率，其對應於62.9% IACS之一導電率。由於因條帶退火之導電率之適度降級，因此條帶處理導致在 0.015"最終厚度下59.1% IACS之實際導電率及在0.020"厚度下60.4% IACS之實際導電率。舉例而言，由於條帶退火之導電率之適度降級，針對以上具有40% C10200之實施例之混合規則模型在0.0050"厚度下具有約38.0% IACS之實際導電率。舉例而言，由於條帶退火之導電率之適度降級，針對以上具有32% C10200之實施例之混合規則模型在0.0098"厚度下具有約29.0% IACS之實際導電率。
圖7中展示之值之表提供圖1之五層複合物之各種實施例之% IACS導電率、機械性質及延展性性質以及提供鎳合金(N02201、899M及899A)之典型性質。觀察到包覆材料10提供與鎳合金類似之機械性質，尤其在與工業中常用之此等合金之四分之一硬回火相比時。在與習用鎳合金相比時，藉助疊層複合物10之包覆材料獲得優越導電率。
上文所闡述多層疊層複合物10可用於多種應用中，其中一種此應用為用以將一個以上鋰離子電池單元結合在一起之一連接器突片200。藉助一單個脈衝交流電(AC)電阻熔接機容易地達成由疊層複合物10形成之「連接器突片」之熔接。用槽輔助熔接以避免分流、產生熔接突出部，及/或應用一步進熔接程序，如此項技術中已知。藉由此程序產生之熔接接頭之強度滿足或超過針對拉力強度之工業標準。注意圖3及圖4，鋰離子單元100本質上係圓柱形的且此等單元100之間的連接使用熔接至圓柱形電池單元100之端帽102上之連接器突片200進行。此允許並聯結合諸多電池單元100以增加如圖5及圖6中圖解說明且用於對手工具、膝上型電腦及小設備進行供電之電池組104、106(結合在一起之多個單元)之集體電壓。
現今，用以連接此等電池之選擇之材料係純鎳，此乃因其電性質及結合性性質(熔接、焊接)。然而，使用鎳具有各種缺點。首先，鎳在各種應用中之使用係在一高財務成本下進行。其次，鎳之一缺點係其導電率(或高電阻率)。
在圖5中展示之第一電池應用中，小電池組104在市場驅動因素係主要成本之情況下使用純鎳(如膝上型電腦、iPad®或動力工具電池 組)。此等應用由於純Ni之導電率而並不對電力或能量損失如此敏感。第二電池應用表示一較大電力模組106(如針對一電動自行車、備用電池儲存裝置或混合動力交通工具電池組)。針對此等應用，高電阻率或低導電率鎳合金變為此等模組之一主要問題。高電阻意味著能量損失及熱。此應用需要一較佳、較高效電流路徑。
在此情形中，疊層複合物10可在不犧牲效能之情況下提供一優點。本文中闡述之多層疊層複合物10之實施例藉由修改或變更銅比率而提供不同導電率包覆材料之一族系。針對如圖5中展示之小電池組，提供滿足純鎳之相同導電率但具有一較低成本之一疊層複合物10。針對如圖6中展示之較大電力模組106，提供具有純鎳之導電率之1.0倍至4倍之另一疊層複合物10。此等高導電率疊層複合物係以0.3%至8.0%鎳、20%至83%銅及其餘部分之不銹鋼(balance Stainless steel)達成。對於熟習此項技術者而言，已發現0.3%至2.0%鎳給出針對可焊接性、導電率及耐腐蝕性之良好性質。較高導電率意味著較低電阻率；其係成反比的。此導致較佳能量效率及較低熱損失。
疊層複合物10之所有此等包覆設計之關鍵特徵係該等包覆設計必須係可熔接及可焊接的。提供給外鎳層良好可焊接性及耐腐蝕性。不銹鋼層提供良好可熔接結構，且銅可經裁適以滿足對導電率之市場需要。
已如此闡述用以生產金屬複合物材料之一方法之例示性實施例，熟習此項技術者應注意，所包含揭示內容僅為例示性的且可在本發明之範疇內做出各種其他替代形式、改編及修改。因此，本發明並不限於如本文中所圖解說明之特定實施例，而是僅受以下申請專利範圍限制。
10‧‧‧低鎳之多層疊層複合物或系統/多層疊層複合物/疊層複合物/五層疊層複合物/疊層系統/包覆材料
12‧‧‧中心層/第三層
14‧‧‧內層/內部層/第二層
16‧‧‧內層/內部層/第四層
18‧‧‧外層/外部層/第一層
20‧‧‧外層/外部層/第五層

Claims (16)

  1. 一種金屬疊層(metallic laminate)複合物，其包括：一第一金屬層，其具有良好焊接性質，選自鎳或鎳合金；一第二金屬層，其具有良好電阻熔接(resistance welding))性質，選自不銹鋼；一第三金屬層，其具有低電阻率，選自銅或銅合金；一第四金屬合金，其具有良好電阻熔接性質，選自不銹鋼；及一第五金屬層，其具有良好焊接性質，選自鎳或鎳合金，其中該複合物之導電率介於29.0%至80%IACS之間。
  2. 如請求項1之疊層複合物，其中該第三金屬層接合至該第二金屬層及第四金屬層，該第一金屬層接合至該第二金屬層，且該第五金屬層接合至該第四金屬層。
  3. 如請求項1之疊層複合物，其中，基於體積，該第一層包括該疊層複合物之實質上1.5%；該第二層包括該疊層複合物之實質上31.5%；該第三層包括該疊層複合物之實質上34%；該第四層包括該疊層複合物之31.5%；且該第五層包括該疊層複合物之1.5%。
  4. 如請求項1之疊層複合物，其中：該第一層基於體積包括該疊層複合物之實質上0.3%至8%；該第二層基於體積包括該疊層複合物之實質上8.2%至37.7%；該第三層基於體積包括該疊層複合物之實質上20%至83%；該第四層基於體積包括該疊層複合物之8.2%至37.7%；且該第五層基於體積包括該疊層複合物之0.3%至8%。
  5. 如請求項1之疊層複合物，其中該複合物之導電率介於自38.0% IACS至60.4% IACS之範圍內。
  6. 如請求項1之疊層複合物，其中該第一層及及第五層包括鎳合金。
  7. 如請求項1之疊層複合物，其中該鎳合金包括N02201、899M或899A。
  8. 一種用於一電池之連接器突片(connector tab)，其包括如請求項1之金屬疊層複合物。
  9. 一種金屬疊層複合物，其包括：一中心金屬層，其具有低電阻率，選自銅或銅合金，該金屬合金具有一第一側及一第二側；一第一內部金屬層及一第二內部金屬層，該第一內部金屬層沿著該中心金屬層之該第一側定位，且該第二內部金屬層沿著該中心金屬層之該第二側定位，該第一內部金屬層及該第二內部金屬層各自具有良好電阻熔接性質，選自不銹鋼；及一第一外金屬層及一第二外金屬層，其中該第一外金屬層毗鄰該第一內部金屬層且該第二外金屬層毗鄰第二內部金屬合金，該第一外金屬層及該第二外金屬層具有良好焊接性質，選自鎳或鎳合金，其中該第一內部金屬層及該第二內部金屬層，與中心金屬層、該第一外金屬層及該第二外金屬層之間，具有相容熱性質及熔融特性，且其中該複合物之導電率介於29.0%至80%IACS之間。
  10. 如請求項9之金屬疊層複合物，其中該第一外金屬層及該第二外金屬層基於體積包括該疊層複合物之實質上1.5%，該第一內部金屬層及該第二內部金屬層包括該疊層複合物之實質上31.5%；且該中心金屬層包括該疊層複合物之實質上34%。
  11. 如請求項9之金屬疊層複合物，其中該第一外金屬層及該第二外 金屬層基於體積各自包括該疊層複合物之實質上0.3%至8%；該第一內部金屬層及該第二內部金屬層各自包括該疊層複合物之實質上8.2%至28.6%；且該中心層包括該疊層複合物之實質上40%至83%。
  12. 如請求項9之疊層複合物，其中該複合物之導電率介於自38.0% IACS至60.4% IACS之範圍內。
  13. 如請求項9之疊層複合物，其中張力介於52.3至79.7Ksi範圍內。
  14. 一種用於一電池之連接器突片，其包括如請求項11之金屬疊層複合物。
  15. 一種金屬疊層複合物，其包括包含以下各項之層：一中心金屬層，其具有低電阻率，選自銅或銅合金，該中心金屬層具有一第一側及一第二側；一第一內部金屬層及一第二內部金屬層，該第一內部金屬層沿著該中心金屬層之該第一側定位且該第二內部金屬層沿著該中心金屬層之該第二側定位，該第一內部金屬層及該第二內部金屬層各自具有良好電阻熔接性質，選自不銹鋼；及一第一外金屬層及一第二外金屬層，其中該第一外金屬層鄰接該第一內部金屬層且該第二外金屬層鄰接該第二內部金屬層，該第一外金屬層及該第二外金屬層具有良好焊接性質，選自鎳或鎳合金；其中該第一外金屬層及該第二外金屬層基於體積包括該疊層複合物之實質上0.3%至8%，該第一內部金屬層及該第二內部金屬層包括該疊層複合物之實質上8.2%至37.7%，且該中心金屬層包括該疊層複合物之實質上20%至83%，其中該第一內部金屬層及該第二內部金屬層，與中心金屬層、該第一外金屬層及該第二外金屬層之間，具有相容熱性質及熔融特性，且其中該 複合物之導電率介於29.0%至80%IACS之間。
  16. 一種用於一電池之連接器突片，其包括如請求項15之金屬疊層複合物。
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