TWI839920B - 電池極耳與導電柄焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種充電電池的電極結構，包含極耳堆疊、導電柄、焊接保護層以及焊縫。極耳堆疊由堆疊的多個電極片延伸形成。導電柄接合於極耳堆疊之一側。焊接保護層接合於極耳堆疊之相對於導電柄的另一側。焊縫自焊接保護層經過極耳堆疊延伸到導電柄。

Description

電池極耳與導電柄焊接的方法
本發明係關於一種電極結構、充電電池以及電池極耳與導電柄焊接的方法。
近來，充電電池產業增長迅速，尤其駕駛電動車的未來趨勢帶來鋰電池的高度發展潛力。高階電動車的電池必須具備體積小、重量輕、散熱快、能短時間輸出大能量等特點。因此，充電電池是國內外許多廠商正在積極開發的產品。
一般而言，充電電池的基礎結構大致上涉及了被外包裝包覆的電芯。電芯由交錯堆疊的多個正電極片和負電極片所組成，並且在相鄰電極片之間填充有電解質。每個電極片還包含顯露在包裝外的極耳(Electrode tab)。所述電極片的這些極耳進一步需要與導電柄(Electrode lead)一起接合，以作為用於充放電的電連接點。
目前，極耳與導電柄的接合包含兩道焊接製程，其中第一道焊接製程係藉由超音波焊接將由這些極耳構成之極耳堆疊焊接在一起，第二道焊接製程係藉由電阻焊接或雷射焊接將導電柄與極耳堆疊焊接在一起。由於極耳的結構強度相對脆弱，若以 雷射焊接進行上述第一道焊接製程，極耳堆疊可能會容易發生局部熱累積現象而導致極耳變形，從而縮減電池的使用壽命。然而，兩道焊接製程存在製造成本高昂且耗時的問題。
本發明提供一種電池極耳與導電柄焊接的方法。本發明還提供藉由上述方法製造的電極結構以及包含此電極結構的充電電池。
本發明一實施例所揭露之充電電池的電極結構包含一極耳堆疊、一導電柄以及一焊接保護層。極耳堆疊由堆疊的多個電極片延伸形成。導電柄接合於極耳堆疊之一側。焊接保護層接合於極耳堆疊之相對於導電柄的另一側。一焊縫自焊接保護層經過極耳堆疊延伸到導電柄。
本發明一實施例所揭露之充電電池包含一電芯、一正電極結構以及一負電極結構。電芯由多個正電極片與多個負電極片交錯堆疊而成，且其中一正電極片與其中一負電極片之間由一隔離膜隔開。正電極結構包含一正極耳堆疊、一正極導電柄以及一正極焊接保護層。正極耳堆疊連接於正電極片。正極導電柄接合於正極耳堆疊之一側。正極焊接保護層接合於正極耳堆疊之相對於正極導電柄的另一側。一正極焊縫自正極焊接保護層經過正極耳堆疊延伸到正極導電柄。負電極結構包含一負極耳堆疊、一負極導電柄以及一負極焊接保護層。負極耳堆疊連接於負電極片。負極導電柄接合於負極耳堆疊之一側。負極焊接保護層接合 於負極耳堆疊之相對於負極導電柄的另一側。一負極焊縫自負極焊接保護層經過負極耳堆疊延伸到負極導電柄。
本發明一實施例所揭露之將電池的極耳與導電柄焊接的方法包含：提供包含一極耳堆疊、一焊接保護層以及一導電柄的一多層結構，其中焊接保護層和導電柄分別位於極耳堆疊的相對兩側；執行一壓合製程，將極耳堆疊、焊接保護層與導電柄壓合；以及執行一雷射焊接製程，自焊接保護層朝向導電柄的方向照射一雷射，以使極耳堆疊與焊接保護層和導電柄接合。
根據本發明揭露之內容，藉由焊接保護層以雷射焊接製程將極耳堆疊中的多個極耳與導電柄焊接在一起，可避免極耳在焊接過程中因為熱累積現象而變形。
另外，相較於現有技術中以超音波焊接極耳後再以雷射焊接極耳與導電柄的兩道焊接製程，本發明揭露以單次雷射焊接製程完成極耳和導電柄的焊接。
以上關於本發明內容之說明及以下實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
1:充電電池
10:外殼
20:電芯
210:電極片
211:極耳
220:極耳堆疊
30:導電柄
40:焊接保護層
410:外側面
50:焊縫
60:極耳膠
2:治具
21:壓合件
21a:凸出部
21b:焊接工作窗口
22:承載件
22a:容置槽
M:電極結構
m1:第一部分
m2:第二部分
D:深度
L:雷射
P:壓合方向
T1、T2、T3:厚度
圖1為根據本發明一實施例之充電電池的示意圖。
圖2為圖1之充電電池的電極結構的示意圖。
圖3至圖5為根據本發明一實施例之使用治具執行壓合製程 的示意圖。
圖6和圖7為根據本發明一實施例之雷射焊接製程的示意圖。
圖8為以本發明一實施例之雷射焊接製程接合的電極結構的影像。
於以下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易理解本發明。以下實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1和圖2，其中圖1為根據本發明一實施例之充電電池的示意圖，以及圖2為圖1之充電電池的電極結構的示意圖。在本實施例中，充電電池1可包含外殼10、電芯20以及二電極結構M。充電電池1可以是鋁電池、鋰電池或其他充電電池。外殼10可為軟性包裝材，例如但不限於是鋁塑複合膜。電芯20容置於外殼10內，且電芯20可包含多個電極片210。詳細來說，電芯20的這些電極片210可由多個正電極片和多個負電極片組成。正電極片與負電極片交錯堆疊而成，且藉由隔離膜將相鄰的其中一正電極片與其中一負電極片隔開。在相鄰的正電極片和負電極片之間可填充有電解質。正電極片例如但不限於由鋁箔製成，且負電極片例如但不限於由銅箔製成。
各個電極結構M可包含極耳堆疊220、導電柄30以 及焊接保護層40。極耳堆疊220連接於電極片210，且極耳堆疊220包含多個極耳211。進一步來說，電極片210的一側延伸突出於外殼10外而形成極耳211。作為正極的電極片210的極耳211相互堆疊而形成顯露在外的正極耳堆疊220。作為負極的電極片210的極耳211相互堆疊而形成顯露在外的負極耳堆疊220。為了使本實施例容易被理解，圖2示例性地繪示三片極耳211作為極耳堆疊220，但極耳211的數量並非用以限制本發明。其中，極耳堆疊220可包含十層以上的極耳211。其中，極耳堆疊220可包含二十層以上的極耳211。
導電柄30可接合於極耳堆疊220的其中一側，且導電柄30例如但不限於是厚度遠大於各個電極片210的金屬片。焊接保護層40可接合於極耳堆疊220的另一側，從而導電柄30與焊接保護層40分別位於極耳堆疊220的相對兩側。進一步來說，一導電柄30和一焊接保護層40可接合於正極耳堆疊220，且另一個導電柄30和另一個焊接保護層40可接合於負極耳堆疊220。包含正極耳堆疊220、接合於正極耳堆疊220之正極導電柄30和正極焊接保護層40的電極結構M可做為正電極結構，例如圖1位於左側的電極結構M。包含負極耳堆疊220、接合於負極耳堆疊220之負極導電柄30和負極焊接保護層40的電極結構M可做為負電極結構，例如圖1位於右側的電極結構M。焊接保護層40可為金屬製，其材料可包含銅、鋁和鎳至少其中一者。
本實施例的充電電池1之正極和負極均接合有焊接 保護層40，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，可以是正極耳堆疊和負極耳堆疊僅其中一者的一側接合有焊接保護層。
對於任一電極結構M(正電極結構或負電極結構)來說，電極結構M還可形成有焊縫50，其自焊接保護層40經過極耳堆疊220延伸至導電柄30。為了使本實施例容易被理解，圖1省略繪示焊縫50。此外，充電電池1還可包含極耳膠60。極耳膠60包覆任一電極結構M的至少一部分，其能防止電極結構M與外殼10之間發生短路。
對於任一電極結構M來說，極耳堆疊220、導電柄30和焊接保護層40可藉由焊接製程接合在一起。進一步來說，極耳堆疊220、導電柄30和焊接保護層40可藉由雷射焊接製程接合在一起。關於此雷射焊接製程請進一步參照圖3至圖7，其中圖3至圖5為根據本發明一實施例之使用治具執行壓合製程的示意圖，且圖6和圖7為根據本發明一實施例之雷射焊接製程的示意圖。
如圖3所示，提供包含有極耳堆疊220、導電柄30和焊接保護層40的電極結構M，其中焊接保護層40和導電柄30分別位於極耳堆疊220的相對兩側。此時，極耳堆疊220中的多個極耳211實體接觸在一起但尚未被接合。類似地，導電柄30與極耳堆疊220實體接觸但尚未相接合，且焊接保護層40與極耳堆疊220實體接觸但尚未相接合。圖2中繪製的電極結構M可以做為圖1中的充電電池1之正極或負極的電連接點。
接著，執行壓合製程，係將極耳堆疊220、導電柄30和焊接保護層40壓合。在本實施例中，此壓合製程可藉由治具2完成。如圖3和圖4所示，治具2可包含壓合件21以及承載件22。壓合件21具有凸出部21a以及位於凸出部21a的焊接工作窗口21b。承載件22具有與凸出部21a匹配的容置槽22a。電極結構M可容置於容置槽22a內。如圖4和圖5所示，壓合件21可移動靠近承載件22，以透過壓合件21施加推壓力於電極結構M以執行所述壓合製程。詳細來說，圖4中的電極結構M可被區分為第一部分m1和與第一部分m1鄰接的第二部分m2。當壓合件21靠近承載件22時，凸出部21a和容置槽22a的公母匹配結構能夠給產生沿壓合方向P的推壓力並將其施加於電極結構M的第一部分m1，從而使第一部分m1相對於未被施加推壓力的第二部分m2向下凹陷。前述的推壓力及/或第一部分m1凹陷所產生的應力能夠讓極耳堆疊220中的多個極耳211緊密貼合，從而有利於後續雷射焊接的製造良率。此外，前述的推壓力也能讓導電柄30和焊接保護層40分別與極耳堆疊220緊密貼合。
在圖5中，藉由治具2使電極結構M的第一部分m1相對於第二部分m2凹陷，且此凹陷具有深度D。在本實施例中，為了得到較佳的緊密貼合效果，治具2之凸出部21a的厚度T1為任一極耳211之厚度的兩倍以下。舉例來說，每一極耳211的厚度可為0.050公釐(mm)，凸出部21a的厚度T1可為0.10公釐以下，進而第一部分m1之凹陷的深度D可為0.10公釐以下。治具 2之凸出部21a的特定厚度範圍有助於達到符合製程需求的緊密貼合效果並確保極耳211不會被過度變形拉扯而容易斷裂。
完成壓合製程後，接著執行雷射焊接製程，係自焊接保護層40朝向導電柄30的方向照射雷射L，以使極耳堆疊220與焊接保護層40和導電柄30接合。如圖6和圖7所示，在治具2維持壓緊電極結構M的情況下，形成於壓合件21的焊接工作窗口21b允許雷射焊接製程的執行，也就是說雷射L可通過焊接工作窗口21b照射至焊接保護層40的外側面410。雷射L加熱焊接保護層40與鄰近焊接保護層40的一部分極耳堆疊220，致使焊接保護層40與極耳堆疊220彼此熔接。焊接保護層40的外側面410可能因為雷射轟擊而形成有凹陷部。此外，雷射L也加熱導電柄30與鄰近導電柄30的另一部分極耳堆疊220，致使導電柄30與極耳堆疊220彼此熔接。雷射焊接製程形成自焊接保護層40延伸經過極耳堆疊220的焊縫50，更進一步來說是形成自焊接保護層40經過極耳堆疊220連續延伸至導電柄30的焊縫50。
前述的雷射焊接製程可藉由雷射L連續地照射電極結構M來實施。具體來說，雷射L可為連續波雷射(Continuous wave laser，CW laser)而非脈衝雷射。雷射L能連續地照射，從而形成由單條焊道構成的焊縫50。換句話說，在雷射焊接製程中，雷射L單次性地照射電極結構M即可完成極耳堆疊220、導電柄30和焊接保護層40的焊接作業。焊接保護層40可以吸收雷射焊 接所產生的多於熱能，有助於避免極耳堆疊220因為被雷射L長時間照射而變形。
如圖6和圖7所示，焊接保護層40的厚度與極耳堆疊220的厚度的比值可介於1/2至1/8，從而讓焊接保護層40能有效發揮吸收多餘焊接熱能的效果。其中，焊接保護層40的厚度與極耳堆疊220的厚度的比值可介於1/2至1/5。在本實施例中，對於相接合的極耳堆疊220和焊接保護層40而言，極耳堆疊220的厚度T2可為1.0公釐，且焊接保護層40的厚度T3可為0.20公釐以上。
雷射焊接製程完成後，可移除治具2的壓合件21及承載件22，即可完成正電極結構和負電極結構，而因壓合造成的凹陷的部分m1在治具移除後會依靠自身的彈性恢復力復原以使電極結構M變回平坦狀。
圖8為以本發明一實施例之雷射焊接製程接合的電極結構的影像。在一實施例中，可藉由單次雷射焊接製程將銅製焊接保護層40、包含鎳製極耳211之極耳堆疊220以及銅製導電柄30焊接在一起，從而形成電極結構M。所述單次雷射焊接製程包含以波長為1070奈米(nm)且能量為2400瓦(W)的雷射進行焊接作業。雷射焊接製程的加工速度(或可稱焊接速度)可為250公釐/秒(mm/s)。此外，在電極結構M中，極耳堆疊220可由二十層鎳製極耳211組成，其中每個極耳211的厚度可為0.050公釐，且極耳堆疊220的厚度可為1.0公釐。導電柄30和焊接保護層40 的厚度可皆為0.20公釐。
綜上所述，根據本發明揭露之電池的極耳與導電柄焊接的方法，藉由焊接保護層以雷射焊接製程將極耳堆疊中的多個極耳焊接在一起，並且雷射焊接搭配焊接保護層可避免極耳在焊接過程中因為熱累積現象而變形。
另外，相較於現有技術中以超音波焊接極耳後再以雷射焊接極耳與導電柄的兩道焊接製程，本發明揭露之內容可以直接以雷射焊接製程完成極耳和導電柄的焊接，這有助於縮短製造時間。例如，現有技術的超音波震盪極耳約6秒，爾後以雷射照射極耳與導電柄約14秒，因此極耳與導電柄的焊接需要耗時總共約20秒。相較之下，本發明揭露之內容中的雷射焊接製程係以雷射照射少於2秒的時間即可完成極耳與導電柄的焊接。
本發明之實施例揭露雖如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
M:電極結構
220:極耳堆疊
211:極耳
30:導電柄
40:焊接保護層
50:焊縫

Claims (5)

  1. 一種將電池的極耳與導電柄焊接的方法，包含：提供包含一極耳堆疊、一焊接保護層以及一導電柄的一多層結構，其中該焊接保護層和該導電柄分別位於該極耳堆疊的相對兩側；執行一壓合製程，其中將該極耳堆疊、該焊接保護層與該導電柄壓合；以及執行一雷射焊接製程，其中自該焊接保護層朝向該導電柄的方向照射雷射，以使該極耳堆疊與該焊接保護層和該導電柄接合。
  2. 如請求項1所述之將電池的極耳與導電柄焊接的方法，其中於該壓合製程中，沿一壓合方向施加推壓力於該多層結構的一第一部分，從而使該多層結構的該第一部分相對於未被施加推壓力的該多層結構的一第二部分凹陷。
  3. 如請求項2所述之將電池的極耳與導電柄焊接的方法，其中該極耳堆疊包含多個極耳，該多層結構的該第一部分相對於該第二部分凹陷一深度，且該深度為任一該些極耳之厚度的兩倍以下。
  4. 如請求項1所述之將電池的極耳與導電柄焊接的方法，其中該焊接保護層的材料包含銅、鋁和鎳至少其中一者。
  5. 如請求項1所述之將電池的極耳與導電柄焊接的方法，其中該焊接保護層的厚度與該極耳堆疊的厚度的比值介於1/2至1/8。
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