CN102172797B - 锂-二硫化铁电池正极极耳的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锂-二硫化铁电池正极极耳的连接方法，所述锂-二硫化铁电池包括位于电池正极端的防爆组合体，所述防爆组合体与所述正极极耳的材料均为铝，所述方法包括采用激光焊接工艺将所述正极极耳连接到所述防爆组合体，所述激光焊接工艺形成的焊点的直径为0.2~2mm，所述激光焊接工艺在所述防爆组合体中形成的熔池深度为0.02~0.12mm。根据本发明的方法可以精确地控制的焊点尺寸和位置，并且通过调整各工艺参数可以改善防爆组合体与正极极耳之间的焊接强度。

Description

锂-二硫化铁电池正极极耳的连接方法

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，特别涉及锂-二硫化铁电池正极极耳的连接方法。

背景技术

随着电子技术的高速发展，尤其是数码相机、掌上游戏机、各种电动游戏机的出现，对电池的需求程度越来越高。传统的高功率和高容量电池（例如，碱性电池）已经难以满足需要。因此，需要一种能够持续进行高功率放电的电池。由于锂电池不但具有能量密度高、电压高、工作温度范围宽、寿命长等优点，而且其自放电率低，储存寿命长，储存性能好，放电电压平稳，安全性能优良，因此已受到越来越多人的关注。

在锂电池中，常规的锂-二硫化铁电池是以二硫化铁（FeS₂）为正极活性物质、金属锂（Li）为负极活性物质并以有机电解液为电解液的一次电池。该一次电池的电压可以达到1.5V，因此可以替代现在常用的碱性电池而作为普通消费电子设备的便携能源进行使用。此外，该一次电池还具有比能量大、容量高、工作温度范围宽、储存时间长等优点，与目前市场上广泛使用的碱性一次电池具有互换性，因此其作为新一代的高功率电池，正越来越受到人们的欢迎。

在制作锂-二硫化铁电池的过程中，首先，将FeS₂粉末与导电剂、粘结剂等混合后进行搅拌制成浆料，并将该浆料涂覆在正极导电基材上，然后对正极进行烘干、辊压、分切处理得到正极极片；然后，选择特定尺寸的金属锂或其合金铂带作为负极极片；接着，将正极极耳连接到正极极片上以形成正极结构，将负极极耳连接到负极极片上以形成负极结构；接下来，将正极结构、负极结构和隔膜卷绕在一起形成电池芯；然后，将电池芯放入电池壳体中，将正极极耳连接到正极上盖组合体上，将负极极耳连接到电池钢壳上。最后，注入有机电解液，封口、清洗后进行预放电得到锂-二硫化铁电池。

目前，电池生产者一般采取紧接触法来连接正极上盖组合体与正极极耳。但是，采用紧接触法制造的电池会存在以下不足：第一，如果正极极耳与正极极片间存在间隙，电池内的接触电阻会增加；第二，外部剧烈振动或者电池跌落会影响电池的内电阻；第三，在存放过程中，电池的集电极表面会形成钝化膜，使电池接触电阻迅速增大。

为了解决采用紧接触法带来的问题，部分电池生产者还采用电阻焊接的方式来连接正极上盖组合体与正极极耳。采用电阻焊接时，焊接设备在瞬间会产生很大的脉冲电流，进而在焊接处产生高温。高温使得焊接处的正极极耳的金属被熔化，由于焊接处的压力较大，会使得熔化的金属四处飞溅，飞溅的高温金属很有可能将电池的隔膜烧穿，从而导致电池内部正极和负极直接导通造成电池内部短路。此外，由于正极极耳通常采用铝带，在电阻焊接方式下，如果焊接部位存在铝的话，很容易出现焊接不上或者焊接强度低的情况。

因此，需要一种新的连接方法来连接正极上盖组合体与正极极耳，以解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种锂-二硫化铁电池正极极耳的连接方法，所述锂-二硫化铁电池包括位于电池正极端的防爆组合体，所述防爆组合体与所述正极极耳的材料均为铝，所述方法包括采用激光焊接工艺将所述正极极耳连接到所述防爆组合体，所述激光焊接工艺形成的焊点的直径为0.2~2mm，所述激光焊接工艺在所述防爆组合体中形成的熔池深度为0.02~0.12mm。

优选地，所述激光焊接工艺过程中采用氩气或氮气进行气体保护。

优选地，所述正极极耳的厚度为0.05~0.3mm，所述防爆组合体的厚度为0.2~0.4mm。

优选地，所述激光焊接工艺所采用的光斑直径为0.2~2mm。

优选地，所述激光焊接工艺中激光焊接机焊接时的输出功率是2000~4500W。

优选地，所述激光焊接工艺采用的焊接时间为1~4ms。

优选地，所述激光焊接工艺中所采用的激光焊接机的出光频率为1Hz。

优选地，在进行所述激光焊接工艺之前，对所述防爆组合体进行预处理，以去除所述防爆组合体表面的油污和金属氧化物。

优选地，在所述预处理过程中，采用光斑直径为2~5mm的激光，激光焊接机的输出功率为2000~5000W，激光的滞留时间为0.2~1.0s。

优选地，在进行所述激光焊接工艺时，对所述正极极耳施加压力，所述压力为1~25kg/cm²。

采用激光焊接将正极极耳连接至防爆组合体具有以下优点：第一，激光焊接工艺可以精确地控制的焊点尺寸和位置，并且通过调整各工艺参数可以改善焊接强度。第二，焊接简单，操作方便，生产周期短，可以用于高速生产的自动化电池生产线。第三，可以避免电阻焊接方式中可能存在的焊接不上或者焊接强度低以及金属飞溅等情况，从而保证电池内部正极和负极不会直接导通。第四，在对正极极耳进行焊接之前对防爆组合体表面进行预处理，能够使正极极耳的焊接强度变强，增加了产品的合格率，降低了生产成本。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1A为采用本发明的方法制作的锂-二硫化铁电池的结构示意图；

图1B为图1A中的正极上盖组合体的放大视图；

图2A为采用本发明的方法将正极极耳焊接至防爆组合体的结构示意图；

图2B为图2A的顶视图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

图1A为采用本发明的方法制作的锂-二硫化铁电池的结构示意图，图1B为图1A中的正极上盖组合体106的放大视图。如图1A所示，锂-二硫化铁电池包括正极极片101、负极极片102、隔膜103、正极极耳104、负极极耳105、正极上盖组合体106以及电池钢壳107。正极极耳104和负极极耳105分别连接在正极极片101和负极极片102的一端，形成正极结构和负极结构，正极结构、负极结构和隔膜一起卷绕形成电池芯。其中，正极极耳104从正极极片101的一端引出到电池上部，正极极耳104的材质采用的是金属铝带，其长度为50~60mm，厚度为0.05~0.3mm，宽度为2~3.5mm。如图1B所示，正极上盖组合体106由密封圈107、防爆组合体108、正温度系数热敏电阻（PTC）109以及正极端帽110组成。防爆组合体108的材料为铝，其厚度为0.2~0.4mm。通常情况下，正极极耳104与正极上盖组合体106的防爆组合体108连接。

本发明采用激光焊接的方法将正极极耳焊接至正极上盖组合体的防爆组合体上，其中，正极极耳和防爆组合体的材料均为铝。下面将对本发明的方法进行详细描述。图2A为采用本发明的方法将正极极耳焊接至防爆组合体的结构示意图，图2B为图2A的顶视图。

首先，使正极极耳204与防爆组合体208接触。具体地，可以将正极上盖组合体206放入焊接卡具内，然后弯折正极极耳204，使其与正极上盖组合体206的防爆组合体208表面相接触。

然后，采用激光焊接工艺将正极极耳204连接至防爆组合体208。

激光焊接工艺是采用激光光束对焊接部位进行照射，瞬间产生的高温使被照射部位的金属熔化，待熔化的金属冷却后使其粘合在一起。金属冷却后会在焊接部位产生斑点，将这个斑点称为焊点。发明人发现焊点的直径和熔池深度会对焊接强度产生较大的影响，因此本文采用焊点的直径和在防爆组合体中形成的熔池深度来对焊点进行描述，其中，熔池深度是指激光光束照射焊接部位时，被照射处防爆组合体208熔化的深度（须小于防爆组合体208的焊接处的厚度）。发明人发现，对于本发明中所采用的正极极耳204和防爆组合体208的材料（均为铝）而言，当焊点直径为0.2~2mm，且熔池深度为0.02~0.12mm时，可以在正极极耳204与防爆组合体208之间实现良好的连接，也即，这样的连接所达到的焊接强度可以避免电池正常使用时外部振动、冲击和跌落使正极极耳204从防爆组合体208脱离。当焊点直径过大或过小时，将无法在使用普通的防爆组合体和正极极耳的情况下实现良好的连接，因而在使用该电池的过程中正极极耳可能会发生脱落。当熔池深度过大时，需要增厚防爆组合体被焊接处的厚度，这对于提高电池的便携性和节省物料而言是不利的；当熔池深度过小时，将不利于实现上述良好的连接，正极极耳可能会容易脱落。

当焊点直径和熔池深度满足上述条件时，正极极耳204和防爆组合体208之间的焊接强度足以满足电池正常使用的需要，同时也能实现节省物料和提高电池便携性的效果。

如上所述，本发明所选的激光焊接工艺形成的焊点的直径为0.2~2mm，熔池深度为0.02~0.12mm。通常情况下，对于正极极耳204只需要一个焊点即可焊接牢固。在条件允许的情况下，焊接部位的焊点越多，被焊接的部位越牢固。不过，从成本角度考虑，在焊点直径和熔池深度满足上述条件的前提下，优选的正极极耳204和防爆组合体208之间仅有一个焊点。

作为示例，采用型号为HAN’S Laser PB300的激光焊接机进行焊接。对于厚度为0.05~0.3mm的正极极耳104和厚度为0.2~0.4mm的防爆组合体，激光焊接工艺中激光焊接机焊接时的输出功率为2000~4500W，调整激光光斑，使光斑直径为0.2~2mm。将激光焊接工艺的焊接时间设置为1~4ms。此外，根据实际生产需要，还可以将激光焊接机的出光频率设置为1Hz。

作为示例，激光焊接时，对正极极耳204施加压力，以使正极极耳与防暴组合体表面紧密接触。优选地，所施加的压力为1~25kg/cm²。

优选地，在进行激光焊接工艺之前，对防爆组合体208进行预处理，以去除防爆组合体208表面的油污和金属氧化物。本发明中，利用激光光束瞬间的高温将防爆组合体208表面的油污和金属氧化物汽化除去。

作为示例，利用TRUMPF TURMAEK激光清洗机，采用光斑直径为2~5mm的激光，激光的滞留时间（Marking Time）为0.2~1.0s，激光焊接机的输出功率为2000~5000W，来去除防爆组合体208表面的油污和金属氧化物。经过上述预处理后再进行激光焊接工艺可以提高正极极耳204的焊接强度。

优选地，预处理工艺后立即执行焊接工艺，并且在进行激光焊接工艺过程中，采用氩气或氮气等对焊接部位进行气体保护，以防止在高温下熔化的金属被氧化而影响正极极耳204与防爆组合体208的焊接强度。

当正极极耳和防爆组合体的材料为金属铝时，采用激光焊接方式可以避免电阻焊接方式中可能存在的焊接不上或者焊接强度低。此外，还可以有效地解决焊接过程中金属飞溅而导致隔膜被飞溅的金属烧穿的问题，从而保证电池内部正极和负极不会直接导通，不会造成电池内部短路。发明人推测，产生上述有益效果的原因可能在于：第一，与电阻焊接相比，激光焊接时，在待焊部位所施加的压力较小，因此可以避免熔融的金属飞溅。第二，金属铝极易氧化而生成氧化铝，氧化铝的导电性很差，因此影响了电阻焊接时电极之间的导电性，并且氧化铝的熔点高达2000^oC，而电阻焊接所能达到的温度很低，不能使氧化铝熔化。激光焊接对待焊部位的导电性没有要求，并且激光焊接所达到的温度较高，因此可以有效地改善正极极片与防爆组合体之间的焊接强度。

下面结合具体实施例来描述卷绕式AA型号锂-二硫化铁电池中正极极耳与正极上盖组合体的连接方法。

[实施例一]

首先，将正极上盖组合体放入正极极耳焊接卡具，将正极极耳折弯，使其与防爆组合体表面相接触。其中，正极极耳的厚度是0.10mm，防爆组合体的厚度是0.25mm。

然后，调节激光焊接机的光斑大小，使光斑直径为0.4mm。激光焊接机焊接时的输出功率为3800W，焊接时间为1.6ms，激光焊接机的出光频率为1Hz，将正极极耳焊接到正极上盖组合体的防爆组合体上。激光焊接时，对正极极耳施加15kg/cm²的压力，并且通入氮气对焊接部位进行保护。

冷却后测量得到：焊点的直径为0.28mm，熔池深度为0.03mm。由于未经过预处理的防爆组合体表面会存在熔点很高的氧化膜，在激光焊接过程中，氧化膜会消耗大部分能量，并且不同的测试样品表面氧化膜的厚度可能会存在差异，因此，上述焊点的直径和熔池深度均为多个样品的平均值。

[实施例二]

首先，将正极上盖组合体放入正极极耳焊接卡具，将正极极耳折弯，使其与防爆组合体表面相接触。其中，正极极耳的厚度是0.10mm，防爆组合体的厚度是0.25mm。

然后，利用TRUMPF TURMAEK激光清洗机对防爆组合体表面进行预处理，其中，激光的光斑直径为3mm，激光的滞留时间为0.48s，激光焊接机的输出功率为3800W，以去除防爆组合体表面的油污和金属氧化物。

最后，调节激光焊接机的光斑大小，使光斑直径为0.4mm。激光焊接机焊接时的输出功率为3200W，焊接时间为1.6ms，激光焊接机的出光频率为1Hz，将正极极耳焊接到正极上盖组合体的防爆组合体上。激光焊接时，对正极极耳施加15kg/cm²的压力。

冷却后测量得到：焊点的直径为0.34mm，熔池深度为0.08mm。

[比较例一]

该实施例中的焊接部件以及所采用的工艺步骤与实施例一相同，不同之处在于：激光焊接机在焊接时的输出功率和焊接时间均超出本发明所给出的范围。在该实施例中，将激光光斑的直径调节至1.2mm，焊接时的输出功率为5000W，焊接时间为5ms。

冷却后测量得到：焊点的直径为1.6mm，熔池深度大于0.25mm。由于输出功率较大，焊接时间较长，致使激光直接穿透正极极耳和防爆组合体。

[比较例二]

该实施例中的焊接部件以及所采用的工艺步骤与实施例一相同，不同之处在于：激光焊接机的光斑尺寸，焊接时的输出功率和焊接时间均超出本发明所给出的范围。在该实施例中，将激光光斑的直径调节至0.1mm，焊接时的输出功率为1500W，焊接时间为0.8ms。

冷却后测量得到：焊点的直径为0.08mm，熔池深度为0.00mm。能量不足以穿透正极极耳，因此，未在防爆组合体上形成熔池，导致正极极耳未被焊接至防爆组合体。

[比较例三]

该实施例中的焊接部件以及所采用的工艺步骤与实施例二相同，不同之处在于：激光焊接机在焊接时的输出功率和焊接时间均超出本发明所给出的范围。在该实施例中，将激光光斑的直径调节至1.2mm，焊接时的输出功率为5000W，焊接时间为5ms。

冷却后测量得到：焊点的直径为1.8mm，熔池深度大于0.25mm。由于输出功率较大，焊接时间较长，致使激光直接穿透正极极耳和防爆组合体。

[比较例四]

该实施例中的焊接部件以及所采用的工艺步骤与实施例二相同，不同之处在于：激光焊接机的光斑尺寸，焊接时的输出功率和焊接时间均超出本发明所给出的范围。在该实施例中，将激光光斑的直径调节至0.1mm，焊接时的输出功率为1500W，焊接时间为0.8ms。

冷却后测量得到：焊点的直径0.09mm，熔池深度为0.00mm。能量不足以穿透正极极耳，因此，未在防爆组合体上形成熔池，导致正极极耳未被焊接至防爆组合体。

对根据上述实施例一和实施例二制作的锂-二硫化铁电池进行检测，设定由实施例一（未经过预处理）得到的电池为P，由实施例二（经过预处理）得到的电池为Q。

对电池P和电池Q在不同条件下的内阻进行测量。

首先，分别对受到外部振动、冲击和跌落后的电池P和电池Q的内阻进行测量。在进行各项检测之前，先将这两个电池在21℃条件下存放7天，以使电池内部与外部的温度保持一致，保证检测的准确性。

如表1所示，为采用广州擎天实业有限公司生产的BS-VR3电池内阻测试仪来测量各种测试下的电池内阻。从表中可以看出，根据本发明的焊接方法所制作的电池P和Q在受到外部振动、冲击和跌落后，电池内阻均没有增加，说明其正极极耳没有松动或断开，具有良好的接触。

表1

分别对进行不同程度的老化处理所得到的电池P和电池Q的内阻进行测量。

将两组电池P和Q分别在21℃条件下存放7天、在60℃条件下存放20天后在21℃条件下放置1天、在60℃条件下存放40天后在21℃条件下放置1天、或者在60℃条件下存放60天后在21℃条件下放置1天，然后检测电池接触内阻。将电池P和电池Q在60℃的环境中存放，以加速电池的老化，然后在21℃放置一天以使电池的内部和外部的温度一致，以防检测出现偏差。

从表2中可以看出，电池P和Q进行电池老化处理之后，接触电阻均没有增大，这说明电池内部能保持良好连接，进一步表明，电池正极极耳采用激光焊接方式进行连接其电池存放性能良好。

                        表2

如表3所示，采用拉力测试，对电池P和电池Q的焊接强度进行比较。电池P的焊接强度为0.46kg，电池Q的焊接强度为0.75kg。由此可见，经过预处理后得到的电池Q的焊接强度明显大于电池P的焊接强度。                   

                        表3

如表4所示，对电池P和电池Q的正极极耳焊接工序的合格率进行检测。其中，电池P的正极极耳焊接工序的合格率为97.3%，电池Q的正极极耳焊接工序的合格率为99.6%。由此可见，在正极极耳焊接工序中，电池Q的合格率明显大于电池P的合格率。

                        表4

采用激光焊接将正极极耳连接至防爆组合体具有以下优点：第一，激光焊接工艺可以精确地控制的焊点尺寸和位置，并且通过调整各工艺参数（例如激光焊接机焊接时的输出功率、激光光斑的直径等等）可以改善焊接强度。第二，焊接简单，操作方便，生产周期短，可以用于高速生产的自动化电池生产线。第三，由于正极极耳和防爆组合体的材料为金属铝，采用激光焊接方式可以避免电阻焊接方式中可能存在的焊接不上或者焊接强度低以及金属飞溅等情况，进一步地避免了隔膜可能被飞溅的金属烧穿，从而保证电池内部正极和负极不会直接导通，不会造成电池内部短路。第四，在对正极极耳进行焊接之前去除防爆组合体表面的油污和金属氧化物，能够使正极极耳的焊接强度变强，增加了产品的合格率，降低了生产成本，使产品具有竞争力。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种锂-二硫化铁电池正极极耳的连接方法，所述锂-二硫化铁电池包括位于电池正极端的防爆组合体，所述防爆组合体与所述正极极耳的材料均为铝，所述方法包括采用激光焊接工艺将所述正极极耳连接到所述防爆组合体，所述激光焊接工艺形成的焊点的直径为0.2～2mm，所述激光焊接工艺在所述防爆组合体中形成的熔池深度为0.02～0.12mm，所述正极极耳的厚度为0.05～0.3mm，所述防爆组合体的厚度为0.2～0.4mm。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光焊接工艺过程中采用氩气或氮气进行气体保护。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光焊接工艺所采用的光斑直径为0.2～2mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光焊接工艺中激光焊接机焊接时的输出功率是2000～4500W。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光焊接工艺采用的焊接时间为1～4ms。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光焊接工艺中所采用的激光焊接机的出光频率为1Hz。

7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，在进行所述激光焊接工艺之前，对所述防爆组合体进行预处理，以去除所述防爆组合体表面的油污和金属氧化物。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述预处理工艺中，采用光斑直径为2～5mm的激光，激光焊接机的输出功率为2000～5000W，激光的滞留时间为0.2～1.0s。

9.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，在进行所述激光焊接工艺时，对所述正极极耳施加压力，所述压力为1～25kg/cm²。

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