DE10300008B4

DE10300008B4 - Verschlossene Batterie und Verfahren zur Herstellung einer verschlossenen Batterie

Info

Publication number: DE10300008B4
Application number: DE10300008A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Utsunomiya Hanafusa; Yasunobu Utsunomiya Ooshima; Masataka Utsunomiya Atsuki
Original assignee: NEC Tokin Tochigi Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2003-01-02
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2023-01-03
Also published as: KR20030060814A; DE10300008A1; TW200301976A; US20030134193A1; TW575974B

Abstract

Verschlossene Batterie mit einem Batteriegehäuse, einem Batteriedeckel, der auf einer Öffnung im Batteriegehäuse angeordnet ist, und einer Polelektrode, bei der ein Elektrodenklemmblech, das auf dem Batteriedeckel mittels eines Isolierteils angeordnet ist, mit einem Elektrodenzuleitungsstift, der aus einem Metall besteht, das sich von einem Metall unterscheidet, das das Elektrodenklemmblech bildet, vollständig dichtend verschweißt und zusätzlich mit einem Schweißstoß durch Laserschweißen an mindestens einer Stelle an einem Flächenkontaktabschnitt zwischen dem Elektrodenzuleitungsstift und dem Elektrodenklemmblech versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Batterie vom verschlossenen Typ, die unter Verwendung eines Metallgehäuses als Außenhüllenteil zusammengefügt ist, und insbesondere eine verschlossene Batterie, die durch eine Polelektrode gekennzeichnet ist, die eine einem Batteriegehäuse entgegengesetzte Polarität hat, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer verschlossenen Batterie.

DE-A-43 25 464 offenbart einen Akkumulator mit einem gas- und flüssigkeitsdichten, elektrolytbefüllten Gehäuse, in dem durch einen Separator voneinander getrennte Elektroden angeordnet sind, die jeweils mit von der Außenseite des Gehäuses zugänglichen Polkontakten elektrisch verbunden sind. Der Akkumulator enthält Polkontakte mit einer kegelstumpfförmigen Durchführung, die von einer tassenförmigen Polkappe übergriffen wird. Die kegelstumpfförmige Durchführung liegt mit ihrem seitlich erweiterten Rand flächig am harten Kunststoff des Gehäuses an und ist in einer ebenfalls kegelstumpfförmigen Durchgangsöffnung selbst zentriert gehalten. Die tassenförmige Polkappe ist durch Punktschweißen mit der Durchführung verbunden und übergreift den weichen Kunststoff des Gehäuses in dichtender Anlage.

In Lithiumionenbatterien, die als Stromquellen für tragbare Geräte dienen, werden flexible Teile, z. B. synthetische Harzfolien, als Außenhüllenmaterialien für Batteriegehäuse verwendet. Batterien, die Batteriegehäuse als Außenhüllenteile verwenden, sind heute weit verbreitet, da sie gegen Stöße von außen widerstandsfähig sind und ausgezeichnete Dichtungseigenschaften aufweisen.

In einer Batterie, die ein Batteriegehäuse als Außenhüllenteil verwendet, kann das Batteriegehäuse als Polelektrode einer Polarität verwendet werden, während eine andere Polelektrode mittels eines Isolierteils am Außenmantelteil ausgebildet ist.

Die Polelektrode, die der Polarität des Batteriegehäu-ses entgegengesetzt ist, ist am Batteriedeckel ausgebildet, der auf einer Öffnung im Batteriegehäuse angeordnet ist. Nach-dem eine Batterie in ein Batteriegehäuse aufgenommen ist, wird ein Ansatz, der an das Batterieelement angefügt ist, mit der Polelektrode des Batteriedeckels durch Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder dgl. elektrisch verbunden. Dann wird der Batteriedeckel auf der Öffnung im Batteriegehäuse angeordnet, und schließlich wird die Verbindung zwischen der Wandfläche des Batteriegehäuses und dem Batteriedeckel durch Laserschweißen oder dgl. verschlossen.

4 ist eine obere Schnittansicht, die ein Beispiel der Elektrodenklemme einer verschlossenen Batterie darstellt.

Ein Batteriedeckel 3 ist auf einer Öffnung im oberen Abschnitt eines Batteriegehäuses 2 einer verschlossenen Batterie 1 angeordnet, und ein Ansatz 5, der mit einer Elektrode eines Batterieelements 4 verbunden ist, das in das Batteriegehäuse aufgenommen ist, ist an einen Elektrodenzuleitungsstift 7 eines Elektrodenanschlusses 6 angefügt. Der Elektrodenzuleitungsstift 7 ist durch ein äußeres isolierendes Flachmaterial 9 und eine inneres isolierendes Flachmaterial 10, die an einem Durchgangsloch angeordnet sind, das in einem Blech 8 des Batteriedeckels 3 ausgebildet ist, gegen ein Blech des Batteriekopfes isoliert. Auf der oberen Fläche des äußeren isolierenden Flachmaterials ist ein Elektrodenklemmblech 11 vorhanden, das aus einem Nickel- oder anderem Material mit ausreichenden Verbindungseigenschaften so ausgebildet ist, daß ein Zuleitungsdraht für eine Verbindung mit einer äußeren Schaltung ohne weiteres mit diesem verbunden werden kann.

Die Polelektrode wird hergestellt, indem ein äußeres isolierendes Flachmaterial, ein inneres isolierendes Flachmaterial und ein Elektrodenklemmblech an einem Durchgangsloch in einem Blech befestigt wird, ein Elektrodenzuleitungsstift von der Seite des inneren isolierenden Flachmaterials aus in die Anordnung eingefügt wird und der Elektrodenzuleitungsstift abgedichtet wird.

Die Kontaktfläche zwischen dem Elektrodenzuleitungsstift, der aus Aluminium oder einer Legierung daraus besteht, und dem Elektrodenklemmblech verändert sich mit den Jahren aufgrund des Eindringens von atmosphärischer Luft, Feuchtigkeit usw., und folglich wird die Leitfähigkeit des Flächenkontaktabschnitts geringer.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, den Kontaktwiderstand der elektrischen Verbindung zu verbessern, die nur durch Kontakt verschiedener Materialien entsteht, und eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verschlossene Batterie, die gegen eine Erhöhung des Kontaktwiderstands eines Kontaktabschnitts infolge von Veränderung mit den Jahren geschützt ist, sowie ein Herstellungsverfahren für eine verschlossene Batterie bereitzustellen.

1 stellt im Schnitt einen Polelektrodenabschnitt einer erfindungsgemäßen verschlossenen Batterie dar.

2 stellt den Aufbau der Verbindung dar.

3 stellt ein Beispiel des Musters zur Bestrahlung mit Laserstrahlen dar.

4 stellt ein Beispiel des Elektrodenanschlusses einer verschlossenen Batterie dar.

Die Erfindung stellt eine verschlossene Batterie mit einem Batteriegehäuse, einem Batteriedeckel, der auf einer Öffnung im Batteriegehäuse angeordnet ist, und einer Polelektrode dar, bei der ein Elektrodenklemmmaterial, das mittels eines Isoliermaterials am Batteriedeckel angeordnet ist, mit dem Elektrodenzuleitungsstift vollständig dichtgeschweißt wird, der aus einem Metall besteht, das sich von einem Metall unterscheidet, das das Elektrodenklemmblech bildet, wobei:
ein Schweißstoß durch Laserschweißen an mindestens einer Stelle an einem Flächenkontaktabschnitt zwischen dem Elektrodenklemmblech und dem Elektrodenzuleitungsstift bereitgestellt wird.

Vorzugsweise besteht in der oben beschriebenen verschlossenen Batterie der Elektrodenzuleitungsstift aus Aluminium oder einer Legierung daraus, und das Elektrodenklemmblech besteht aus einem Metall oder einer Legierung daraus, das bzw. die einen anderen Schmelzpunkt als Aluminium oder die Legierung daraus hat.

Vorzugsweise besteht in der oben beschrieben verschlossenen Batterie das Elektrodenklemmblech aus Nickel oder einer Legierung daraus, Eisen oder einer Legierung daraus, Kupfer oder einer Legierung daraus oder aus nichtrostendem Stahl.

Die Erfindung stellt auch ein Herstellungsverfahren für eine verschlossene Batterie bereit, mit den Schritten:
Ausbilden einer Polelektrode, bei der ein Elektrodenklemmblech, das mittels eines Isolierteils auf einem Batteriedeckel angeordnet ist, der auf einer Öffnung in einem Batteriegehäuse angeordnet ist, mit einem Elektrodenzuleitungsstift vollständig dichtgeschweißt wird, der aus einem Metall besteht, das sich von einem Metall unterscheidet, das das Elektrodenklemmblech bildet, und anschließendes Ausbilden eines Schweißstoßes durch Laserschweißen an mindestens einer Stelle auf einem Flächenkontaktabschnitt zwischen dem Elektrodenzuleitungsstift und dem Elektrodenklemmblech.

Vorzugsweise wird in dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren das Laserschweißen in folgenden aufeinanderfolgenden Stufen durchgeführt: Vorwärmen durch Laser mit einer gegebenen Ausgangsleistung, Schmelzen des Schweißstoßes durch Laser mit einer gegebenen Ausgangsleistung und Rißbildungsverhinderung bei Erstarrung durch Laser mit einer gegebenen Ausgangsleistung, wobei die gegebenen Ausgangsleistungen sich voneinander unterscheiden.

Erfindungsgemäß wird ein Teil des Flächenkontaktabschnitts zwischen einem Elektrodenzuleitungsstift, der aus Aluminium besteht, und einem Elektrodenklemmblech, das aus einem anderen Blech mit einem Schmelzpunkt besteht, der sich von dem von Aluminium stark unterscheidet, z. B. aus einem Nickelblech, durch Laserschweißen miteinander verbunden.

Es ist somit folgendes festgestellt worden: Obwohl, wie es bei einem Aluminiumblech und bei einem Nickelblech der Fall ist, aufgrund der Ausbildung einer intermetallischen Verbindung keine ausreichende Festigkeit zwischen beiden Blechen erreicht wird, kann die elektrische Verbindung des Schweißstoßes zwischen beiden ohne Änderung über die Jahre stabil beibehalten werden.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 stellt im Schnitt einen Elektrodenanschlußabschnitt einer erfindungsgemäßen verschlossenen Batterie dar.
1(A) ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen verschlossenen Batterie, und 1(B) ist eine Schnittansicht eines oberen Abschnitts der verschlossenen Batterie.
Ein Batteriedeckel 3 ist auf einer Öffnung in einem Batteriegehäuse 2 einer verschlossenen Batterie 1 angeordnet, und eine Ansatz 5, der mit einer Elektrode eines Batterieelements verbunden ist, das in das Batteriegehäuse aufgenommen ist, ist an einem Elektrodenzuleitungsstift 7 eines Elektrodenanschlusses 6 angefügt. Der Elektrodenzuleitungsstift 7, der aus Aluminium besteht, ist mittels eines äußeren isolie renden Flachmaterials 9 und eines inneren isolierenden Flachmaterials 10, die an einem Durchgangsloch angeordnet sind, das in einem Blech 8 des Batteriedeckels 3 ausgebildet ist, gegen ein Metall des Batteriedeckels isoliert. Auf einer oberen Fläche des äußeren isolierenden Flachmaterials ist ein Elektrodenklemmblech 11 vorhanden, das aus Nickel besteht und an das ein Verbindungszuleitungsdraht einer äußeren Schaltung angefügt ist.
An einem Kontaktabschnitt zwischen dem Elektrodenklemmblech 11 und einer Umfangsfläche 12, der durch dichtendes Verschweißen der Oberfläche des Elektrodenklemmblechs 11 mit dem Elektrodenzuleitungsstift 7 ausgebildet ist, wird durch Bestrahlung mit Laserstrahlen ein Schweißstoß 13 erzeugt, der aus einer Schweißlinse besteht, die Nickel und Aluminium aufweist.
Die Anzahl dieser Schweißstöße sollte vorzugsweise eins sein, da der Schweißstoß 13, der an der Kontaktstelle zwischen dem Elektrodenklemmblech 11 und dem Elektrodenzuleitungsstift 7 ausgebildet ist, zusammen mit einer elektrischen Verbindung auf der Kontaktfläche zwischen dem Elektrodenzuleitungsstift und dem Elektrodenklemmblech zur Leitung beiträgt. Der Schweißstoß sollte vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,6 mm haben, bei dem ausreichende Ströme fließen können. Wenn mehrere Schweißstöße vorgesehen sind, müssen sie so angeordnet sein, daß keine Verwerfung der Polelektrode auftritt.
Wenn die Schweißlinse durch Laserstrahlen bestrahlt wird, sollen Laserstrahlen vorzugsweise an der Grenzfläche zwischen Nickel und Aluminium eindringen, so daß diese am Schweißstoß vollständig schmelzen. Da Aluminium oder eine Legierung daraus einen sehr viel anderen Schmelzpunkt als Nickel oder eine Legierung daraus hat, ist es jedoch schwierig, nur durch einfaches Schmelzen einen rißfreien Schweißstoß herzustellen.
Es ist daher wichtig, die Schweißlinse mit Laserstrahlen entsprechend einem gegebenen Muster zu bestrahlen. Zunächst wird die Schweißlinse mit einem Laserstrahl mit einer geringen Ausgangsleistung für eine gegebene Zeit bestrahlt, so daß die Schweißlinse vorgewärmt wird. Dann wird die Schweiß linse durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl mit einer Ausgangsleistung verschweißt, die ausreicht, um beide zu schmelzen. Schließlich wird die Schweißlinse mit einem Laserstrahl mit einer Ausgangsleistung bestrahlt, die niedriger ist als die zum Schweißen, so daß eine Rißbildung bei der Erstarrung verhindert wird. Durch diese dreistufige Steuerung der Bestrahlungszeit und der Ausgangsleistung werden Nickel und Aluminium vorzugsweise vollständig geschmolzen, um die Verbindungsstelle auszubilden, während die Verbindungsstelle von Rißbildung frei bleibt.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf den elektrischen Verbindungsstift, der aus Aluminium oder einer Legierung daraus besteht, und das Elektrodenklemmblech, das aus Nickel besteht (mit einem Schmelzpunkt von 1,455 °C), beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die Erfindung ebenso auf das Verschweißen eines elektrischen Verbindungsstifts, der aus Aluminium (mit einem Schmelzpunkt von etwa 660 °C) oder einer Legierung daraus besteht, mit einem Elektrodenklemmblech anwendbar ist, das aus Eisen (mit einem Schmelzpunkt von 1535 °C), Kupfer (mit einem Schmelzpunkt von 1083 °C), nichtrostender Stahl mit einem ähnlichen Schmelzpunkt wie Eisen oder dgl. besteht.
Die Erfindung wird nachstehend ausführlicher mit Bezug auf Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 beschrieben, wobei die Elektrodenzuleitungsstifte aus Aluminium und die Elektrodenklemmbleche aus Nickel verwendet werden.
Beispiel 1
Eine Polelektrode wurde hergestellt, indem ein Nickel-Elektrodenklemmblech von 3 mm Breite, 9 mm Länge und 0,3 mm Dicke mit einem Aluminiumelektrodenzuleitungsstift von 3 mm Durchmesser dichtend verschweißt wurde. Eine Stelle der Grenzfläche zwischen dem Elektrodenzuleitungsstift und dem Elektrodenklemmblech der Polelektrode wurde mit Laserstrahlen entsprechend dem Muster in 2 unter Verwendung einer optischen Faser von 0,3 mm Durchmesser bestrahlt. Das heißt, der Schweißstoß wurde durch die folgenden aufeinanderfolgenden Stufen ausgebildet: Erwärmen mit einer Ausgangsleistung von 1,4 kW für eine Bestrahlungszeit von 1 ms, Schweißen mit einer Ausgangsleistung von 3 kW für eine Bestrahlungszeit von 1,5 ms und Rißbildungsverhinderung bei Erstarrung mit einer Ausgangsleistung von 1,4 kW für eine Bestrahlungszeit von 1 ms.
Die Ergebnisse der Aufzeichnungsanalyse für Elemente des Schweißstoßes mittels Röntgenstrahlen-Mikroanalysegerät sind in 3 gezeigt. Es ist festgestellt worden, daß sowohl Aluminium als auch Nickel im gesamten Schweißstoß gleichmäßig verteilt sind.
Die derartig hergestellten Batterieproben 1 bis 5 wurden in bezug auf den Kontaktwiderstand zwischen dem Elektrodenzuleitungsstift und dem Elektrodenklemmblech gleich nach der Herstellung gemessen. Danach wurden diese Proben Schnellprüfungen unterzogen, wobei sie für sieben Tage bei 85 °C und 90 % relativer Luftfeuchtigkeit aufbewahrt wurden, um ihren Kontaktwiderstand zu messen. Die Ergebnisse sind unten tabellarisch dargestellt.
Vergleichsbeispiel 1
Die Batterieproben 6 bis 10 wurden wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß kein Schweißstoß durch Laserschweißen ausgebildet wurde. Wie im Beispiel 1 wurden die Widerstände der Kontaktabschnitte gleich nach der Herstellung und nach der Schnellprüfung gemessen. Die Ergebnisse sind unten tabellarisch dargestellt.
Tabelle 1

(A) gleich nach der Herstellung
(B) nach der Schnellprüfung

Wie bisher beschrieben worden ist, wird erfindungsgemäß eine verschlossene Batterie mit einer Polelektrode bereitge stellt, die durch Dichtschweißen ausgebildet wird, wobei ein Schweißstoß durch Laserschweißen an einem Kontaktabschnitt zwischen verschiedenen Metallen mit sehr unterschiedlichen Schmelzpunkten ausgebildet wird. Es kann daher verhindert werden, daß sich die Eigenschaften einer elektrischen Verbindung auf der Kontaktfläche aufgrund von Veränderungen mit den Jahren verschlechtern, und somit kann eine verschlossene Batterie mit stabilen Eigenschaften bereitgestellt werden.

Claims

Verschlossene Batterie mit einem Batteriegehäuse, einem Batteriedeckel, der auf einer Öffnung im Batteriegehäuse angeordnet ist, und einer Polelektrode, bei der ein Elektrodenklemmblech, das auf dem Batteriedeckel mittels eines Isolierteils angeordnet ist, mit einem Elektrodenzuleitungsstift, der aus einem Metall besteht, das sich von einem Metall unterscheidet, das das Elektrodenklemmblech bildet, vollständig dichtend verschweißt und zusätzlich mit einem Schweißstoß durch Laserschweißen an mindestens einer Stelle an einem Flächenkontaktabschnitt zwischen dem Elektrodenzuleitungsstift und dem Elektrodenklemmblech versehen ist.
Verschlossene Batterie nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenzuleitungsstift aus Aluminium oder einer Legierung daraus besteht und das Elektrodenklemmblech aus einem unlegierten oder legierten Metall besteht, dessen Schmelzpunkt sich von dem des Aluminiums oder der Legierung daraus unterscheidet.
Verschlossene Batterie nach Anspruch 2, wobei das Elektrodenklemmblech aus mindestens einem Metall besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Nickel oder einer Legierung daraus, Eisen oder einer Legierung daraus, Kupfer oder einer Legierung daraus und nichtrostendem Stahl besteht.
Verfahren zur Herstellung einer verschlossenen Batterie mit den Schritten: Ausbilden einer Polelektrode, bei der ein Elektrodenklemmblech, das mittels eines Isolierteils auf einem Batteriedeckel angeordnet ist, der auf einer Öffnung in einem Batteriegehäuse angeordnet ist, mit einem Elektrodenanschlußstift, der aus einem Metall besteht, das sich von einem Metall unterscheidet, das das Elektrodenklemmblech bildet, vollständig dichtend verschweißt wird, und anschließendes Ausbilden eines Schweißstoßes an mindestens einer Stelle auf dem Oberflächenkontaktabschnitt zwischen dem Elektrodenzuleitungsstift und dem Elektrodenklemmblech durch Laserschweißen.
Verfahren zur Herstellung einer verschlossenen Batterie nach Anspruch 4, wobei das Laserschweißen in folgenden aufeinanderfolgenden Stufen durchgeführt wird: Vorwärmen durch Laser mit einer gegebenen Ausgangsleistung, Schmelzen des Schweißstoßes durch Laser mit einer gegebenen Ausgangsleistung und Rißbildungsverhinderung bei Erstarrung durch Laser mit einer gegebenen Ausgangsleistung, wobei sich die gegebenen Ausgangsleistungen voneinander unterscheiden.