TWI810121B - 用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法及電池模組 - Google Patents
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Abstract
一種用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法，用於將一匯流板焊接至一電池的電極引線端，包含第一次焊接步驟、第二次焊接步驟，及微區退火步驟，該第一次焊接步驟以雷射焊接將該匯流板焊接至該電極引線端，該第二次焊接步驟是以低於前次焊接使用的雷射功率於焊接處進行二次焊接，該微區退火步驟是以紅外線加熱於焊接處進行退火處理，本案方法可改善該電極引線端與該匯流板之間因焊接所產生的焊接應變及焊道脆化等問題，並避免該電池於退火過程，因受熱而容易導致***燃燒的問題。此外，本案還提供一種由前述方法所製得的電池模組。
Description
本發明是有關於一種焊接方法及電池模組，特別是指一種用於電池電極的雷射焊接方法及電池模組。
在電池封裝的過程中，基於成本的考量，通常是以一次性焊接的方式將一匯流板焊接至電池的電極引線端。然而，由於不同金屬材料之間的熔點、熱膨脹係數差異較大，導致在異質金屬材料焊接的過程中，容易產生焊接應力或產生質地硬脆的化合物，而造成焊道變形或焊接的接合強度劣化，使該匯流板容易自與該電池的焊接接合處剝離(peeling)，導致產品出現電性連接斷路與可靠度不佳等問題。
而為了減緩前述因焊接而產生焊接應力，以改善異質金屬材料於焊接接合處形成的硬脆化合物所誘發的脆化現象、焊接接合處強度低等問題，目前而言，相關業界是以例如：真空焊接(Vacuum Welding)、填料銲接(slugging)或是硬焊(brazing)等各種不同焊接技術進行改善，但未能有效彰顯效益。而以傳統方式，將該匯流板焊接至該電池引線端後，通過烘箱加熱方式對焊接處進行退火處理，確實能消除焊接應力。然而，以烘箱加熱方式進行退火處理是將該電池整體置入烘箱中加熱，而因為該電池含有電化學活性物質，反而使該電池容易在加熱退火的過程中，因為大範圍受熱而有***的疑慮。
因此，本發明的目的，即在提供一種 用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法，用以消除焊接應力，及其所造成的焊接變形和脆化等問題，同時避免電池因大範圍受熱而發生***。
於是，本發明用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法，適用於將一匯流板焊接至一電池的至少一電極引線端，該方法包含一第一次焊接步驟、一第二次焊接步驟、一設置步驟，及一微區退火步驟。
該第一次焊接步驟是以雷射焊接方式將該匯流板焊接至該至少一電極引線端，從而在該至少一電極引線端及該匯流板的接合位置形成至少一個一次焊接區。
該第二次焊接步驟是以雷射焊接方式於該至少一個一次焊接區進行二次焊接，得到至少一個二次焊接區，且所施加的雷射功率低於在該第一次焊接步驟所施加的雷射功率。
該微區退火步驟是以紅外線加熱方式於該至少一個二次焊接區進行退火處理。
又，本發明的另一目的，即在提供一種電池模組。
本發明電池模組是以如前所述的方法焊接取得，包含一電池，及一匯流板。
該電池包括一電池本體，及至少一位於該電池本體其中一側的電極引線端，且該至少一電極引線端與該電池本體的電極電連接。
該匯流板是以如前所述的方法焊接於該至少一電極引線端。
其中，該匯流板與該至少一電極引線端的焊接接面處形成有至少一個焊接退火區，且該至少一個焊接退火區具有由該至少一電極引線端的金屬，及該匯流板的金屬所生成的金屬間化合物。
本發明的功效在於：利用在該匯流板與該至少一電極引線端的接合位置利用雷射進行二次焊接，以消除在前次焊接中所產生的殘留焊接應力，之後再以紅外線加熱方式進行退火處理，能進一步改善該至少一電極引線端與該匯流板的焊接接合處因焊接所造成的脆化及焊接變形等問題，使該匯流板不易自該電池剝離，同時可於退火處理過程中將該電池的受熱範圍侷限在該至少一個二次焊接區，避免該電池因受熱範圍太大而發生***。
在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。有關本發明之相關技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關。
參閱圖1與圖3，本發明用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法的一實施例，適用於將一匯流板4焊接至一電池3的至少一電極引線端32，以取得如圖3所示的一電池模組200。該電池3包括一電池本體31，及該至少一位於該電池本體31其中一側的電極引線端32，且該至少一電極引線端32與該電池本體31的電極(圖未示)電連接。其中，該匯流板4與該至少一電極引線端32的焊接接面處形成有至少一個焊接退火區63，且該至少一個焊接退火區63具有由該至少一電極引線端32的金屬，及該匯流板4的金屬所生成的金屬間化合物。
要說明的是，該電池3可形成一個或多個電極引線端32，且該電極引線端32可依據所電連接的電極性質不同而選自不同的導電材料，例如，當該電極引線端32與正電極電連接時，可選自鋁金屬或鋁合金，當該電極引線端32與負電極電連接時，可選自銅金屬或銅合金。在本實施例中，如圖3所示，是以將該匯流板4焊接至單一個由銅金屬構成的電極引線端32，且該匯流板4選自鋁金屬或鋁合金為例作說明，但並不以此為限。
再參閱圖1和圖2，本發明該實施例方法包含一第一次焊接步驟21、一第二次焊接步驟22、一設置步驟23，及一微區退火步驟24。
該第一次焊接步驟21是以雷射焊接方式將該匯流板4焊接至該至少一電極引線端32，從而在該至少一電極引線端32及該匯流板4的接合位置形成至少一個一次焊接區61。在圖2中是以將該匯流板4焊接至單一個電極引線端32形成一個一次焊接區61為例，但實際實施時不以此數量為限。
該第二次焊接步驟22是再以雷射焊接方式將該一次焊接區61的至少部分進行二次焊接，得到一個二次焊接區62。其中，於二次焊接所施加的雷射功率低於在該第一次焊接步驟21所施加的雷射功率，且該二次焊接區62的焊道深度H2會大於該一次焊接區61的焊道深度H1。
在本實施例中，是以該第一次焊接步驟21所施加的雷射功率約為3000W，該第二次焊接步驟22所施加的雷射功率為2800W為例進行說明，然實際實施時，兩次雷射焊接所施加的雷射功率會依據該電極引線端32和該匯流板4的厚度、材料選擇或是製程時間等的參數條件的變化而有不同，只要可令該第一、二次焊接步驟21、22所施加之雷射產生的熱能高於構成該電極引線端32和該匯流板4之金屬材料的熔點 ，且該第二次焊接步驟22所施加的雷射功率低於該第一次焊接步驟21所施加的雷射功率即可。較佳地，該第二次焊接步驟22所施加的雷射功率為該第一次焊接步驟21所施加的雷射功率的60%至99%。
基於雷射光束本身具能量集中性而不易擴散的性質，因此，利用雷射焊接方式將該匯流板4焊接至該電極引線端32，可有效地將該一次焊接區61限制在預定範圍內，並避免該電池3在該一次焊接區61以外的範圍受到多餘的雷射能量照射。此外，由於該第二次焊接步驟22所施加的雷射功率較低，可使二次焊接的過程產生類似退火處理的功效，部分消除經該第一次焊接步驟21時於該一次焊接區61所形成的焊接應力，減緩焊接變形以及金屬脆化等問題，而可提升該匯流板4與該電極引線端32之間的接合強度，並降低其電阻值。
要說明的是，雷射焊道，即該一次焊接區61依設計需求可有不同的分佈位置、數量或形狀態樣，例如該一次焊接區61也可成環形，或是形成多個彼此間隔分佈的一次焊接區61，但不以前述之舉例和圖式為限制。
在其它實施例中，該方法也可依實際需求在執行該第二次焊接步驟22後，再以雷射焊接方式於該二次焊接區62進行第三次焊接或更多次焊接，以確保於該二次焊接區62的焊接應力可完全消除。其中，該第三次焊接或後續多次焊接所施加的雷射功率低於該第一次焊接步驟21所施加的雷射功率。較佳的，該第三次焊接或後續多次焊接所施加的雷射功率與該第二次焊接步驟22所施加的雷射功率相同，而可同樣在該二次焊接區62達到退火處理的功效。
該設置步驟23執行於該微區退火步驟24之前，是設置一用以遮蓋該電池3且由可承受該微區退火步驟24的退火溫度的耐熱材料所構成的擋板5。該擋板5具有一令該一次焊接區61(或該二次焊接區62)露出的穿孔51，而可使該一次焊接區61(或該二次焊接區62)對外露出，因此，可於後續進行該微區退火步驟24時，將退火處理的範圍限制在該匯流板4自該擋板5的穿孔51所露出的區域進行，而不影響該電池3的其它部分。在本實施例中，該擋板5選自氧化鋁或氧化鎂等陶瓷材料，具有良好的硬度、隔熱性，及低導電率，而能對該電池3提供良好的保護作用，防止該電池3於該二次焊接區62以外的範圍受到大量的熱。
較佳地，該設置步驟23是在該第二次焊接步驟22及該微區退火步驟24之間執行。
此外，要說明的是，在其它實施例中，該設置步驟23可以是在該第一次焊接步驟21前，或是該第一次焊接步驟21和該第二次焊接步驟22之間執行，只要在進行該微區退火步驟24前將該擋板5設置完成即可，並無特別限制。
該微區退火步驟24是以紅外線加熱方式對該二次焊接區62進行退火處理，以令該二次焊接區62轉化形成一個焊接退火區63，且退火溫度介於150℃至600℃。經由該微區退火步驟24可將在該二次焊接區62殘留的焊接應力消除，並於該焊接退火區63形成穩定且分布性良好的金屬間化合物，例如：銅與鋁焊接後，於銅/鋁的焊接接面處可形成具有穩定晶相結構的Al
2Cu金屬間化合物。利用形成穩定性良好的該金屬間化合物可以提升焊接處的接合強度，而得以改善該匯流板4與該電極引線端32之間的焊接接合處因焊接所造成脆化或焊接變形等問題，使該匯流板4不容易自該電極引線端32剝離而導致斷路。而結構穩定且分布性良好的該金屬間化合物還能降低焊接接合處的晶格缺陷。除了可提高該焊接退火區63的耐衝擊強度及韌性，還可降低該焊接退火區63的電阻值，使該電池模組200具有更良好的電性品質與可靠度。
此外，相較於傳統的退火處理是以烘箱加熱方式而透過烘箱內空氣對流的方式進行加熱，本實施例該微區退火步驟24的紅外線加熱方式是利用一紅外線加熱器以輻射熱進行退火處理，具有優秀的傳熱效率以避免過多熱量散失，還可縮短退火處理的製程時間，提升製程效率。
在一些實施例中，該微區退火步驟24是以150℃至200℃的退火溫度進行退火處理。
在一些實施例中，當該微區退火步驟24的退火溫度不大於200℃時，也可視需求而無須進行該設置步驟23，並經由延長退火處理的製程時間，以消除焊接應力和改善焊接變形等問題。
茲將本發明電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法就以下實驗例作進一步說明，但應瞭解的是，所述實驗例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
實驗例1
準備三組具有相同形狀且厚度相近的一長方形銅片(相當於電極引線端32)及一長方形鋁片(相當於匯流板4)。
將第一組的鋁片設置於該銅片上，並以功率為3300W的雷射焊接方式自該鋁片表面向下加熱，以將該鋁片焊接至該銅片上，使該鋁片於該銅片的其中一表面上緊密接合，取得一樣品a；將第二組的鋁片以功率為3300W的雷射焊接方式焊接至銅片上，再經由烘箱加熱方式以退火溫度160℃、退火時間24小時的條件進行退火處理，取得一樣品b；將第三組鋁片以功率為3000W的雷射焊接方式焊接至銅片上，再經由紅外線加熱方式以退火溫度160℃、退火時間5分鐘的條件進行退火處理，取得一樣品c。
將前述實驗例1所製得的該等樣品a、b、c沿長度方向施力以進行拉伸強度測試，以測得該等樣品的降伏強度(yield strength)、極限抗拉強度(ultimate tensile strength)，及伸長量(elongation)，將該等樣品a、b、c進行耐衝擊試驗，以測得該等樣品的耐衝擊吸收能，並將測試結果統整於表1。其中，該等樣品a、b、c的伸長量是以對該等樣品a、b、c沿長度方向施加一拉剪速度為2.5x10
-3mm/sec的作用力量測取得。
表1
| 樣品 | a | b | c |
| 雷射焊接(W) | 3300 | 3300 | 3000 |
| 退火熱處理 | 無 | 烘箱加熱 (160℃，24小時) | 紅外線加熱 (160℃，5分鐘) |
| 降伏強度(N) | 623.2 | 1084.6 | 905.2 |
| 極限抗拉強度(N) | 829.1 | 1397.4 | 1392.5 |
| 伸長量(%) | 0.8 | 0.6 | 3.1 |
| 耐衝擊吸收能(J) | 8 | 9 | 10 |
由表1可以得知，相較於該樣品a，該樣品b及該樣品c於雷射焊接後再進行退火處理，使焊接接合處逐漸生成晶相結構穩定且分布性良好的金屬間化合物，以改善焊接接合處因焊接所產生的焊接變形及金屬脆化等問題，並提升焊接的接合強度，使該鋁片及該銅片不易剝離，並使該樣品b及該樣品c具有較優秀的降伏強度，及極限抗拉強度。而相較於該樣品b，該樣品c是以紅外線加熱方式進行退火處理，僅需要5分鐘的製程時間即達到足夠良好的降伏強度及極限抗拉強度，且與該樣品b的降伏強度及極限抗拉強度相近，由此可知，相較於以傳統烘箱加熱方式進行退火處理，本案以紅外線加熱方式可更加快速且有效率地進行退火製程，大幅地降低退火處理的時間成本，而達到節能減碳的效果，還可將受熱範圍侷限在該銅片與該鋁片的焊接區域，避免該樣品c受熱範圍太大。
此外，該樣品c的伸長量達到3.1%，以及耐衝擊吸收能達到10J，可以得知相較於烘箱熱處理，以紅外線加熱方式進行退火處理可在焊接區域更有效率地形成具有穩定晶相結構且分布性良好的金屬間化合物，而能進一步改善因雷射焊接所造成的金屬脆化等問題，使該樣品c可具有更佳的延展性、耐衝擊性及韌性。此外，由於紅外線加熱方式具有更佳良好的退火效果，所以該樣品c能以較低的雷射功率(3000W)進行焊接，即可在後續進行退火處理後達到足夠良好的拉伸強度，因此，還能降低該樣品c在雷射焊接的過程中，因雷射功率太高而導致樣品毀損的情形發生。
實驗例2
準備三組具有相同形狀且厚度相近的銅片(相當於電極引線端32)及鋁片(相當於匯流板4)。
將第一組的鋁片設置於該銅片上，並以雷射焊接方式自該鋁片表面向下加熱，以將該鋁片焊接至相應的銅片上，使該鋁片於該銅片的其中一表面上緊密接合，取得一樣品d，且該雷射功率為3000W；將第二組的鋁片以雷射焊接方式(雷射功率為3000W)焊接至相應的銅片上，之後，於該銅片與該鋁片的焊接區域進行二次雷射焊接(雷射功率為2800W)，以取得一樣品e；將第三組的鋁片以雷射焊接方式(雷射功率為3000W)焊接至相應的銅片上，接著，於該銅片與該鋁片的焊接區域進行二次雷射焊接(雷射功率為2800W)，之後，設置一由氧化鋁構成的擋板且令已經過二次焊接的焊接區域對外露，並以紅外線加熱方式(退火溫度600℃，時間為5分鐘)對露出的該焊接區域進行退火處理，並移除該擋板，以取得一樣品f。
將前述實驗例2所製得的樣品d、e、f進行拉伸強度測試以及電性測試，以測得該等樣品的拉伸強度、延展性，及電性。之後，將該等樣品d、e、f進行電熱循環試驗(Electro-thermal cycling，ETC)，再次量測該等樣品d、e、f的拉伸強度，及延展性，以評估利用該實驗例2的焊接方法焊接而得的電池經過多次充放電後的物理性質表現，並將前述的測試結果統整於表2。其中，該等樣品d、e、f的延展性是以對該等樣品d、e、f沿長度方向施加一拉剪速度為2.5x10
-3mm/sec的作用力進行拉伸，並量測其伸長量所測得。
其中，該電熱循環試驗是以對該等樣品d、e、f施加一電流值為2A的電流30秒後，斷電10秒為一次循環，並在進行1000次循環後，量測該等樣品d、e、f的拉伸強度及延展性。
其中，該實驗例2的測試結果的記載方式如下：
拉伸強度是以極限抗拉強度小於600N為×、介於600N至1800N為△，及大於1800N為○。延展性是以伸長量小於2%為×、介於2%至3%為△，及大於3%為○。電性是以電阻值大於1.0Ω為×、介於0.9Ω至1.0Ω為△，及小於0.9Ω為○。
表2
| 樣品 | d | e | f |
| 拉伸強度 | × | △ | ○ |
| 延展性 | × | △ | ○ |
| 電阻值 | × | △ | ○ |
| ETC試驗後的拉伸強度 | × | ○ | ○ |
| ETC試驗後的延展性 | × | ○ | ○ |
由表2可以得知，相較於僅經過一次雷射焊接的樣品d，經過二次雷射焊接的樣品e具有較低的電阻值，以及較佳的拉伸強度、延展性。而在經過二次雷射焊接後，再以紅外線加熱方式進行退火處理的該樣品f還進一步降低其電阻值，並具有更佳的拉伸強度和延展性，是由於二次雷射焊接和以紅外線方式進行的退火處理，可逐漸消除由焊接所產生的焊接應力，以改善使該銅片及該鋁片於焊接處所造成的金屬脆化問題，提升該焊接區域的延展性和拉伸強度，使該鋁片不易自該銅片剝離，而具有良好的焊接接合品質。此外，在二次雷射焊接及退火處理的過程中，於焊接區域所生成金屬間化合物的結晶性會提升，以降低在焊接接合處的晶格缺陷濃度，使該樣品具有更加良好的電性品質。
而在經過該電熱循環試驗後，進行過二次雷射焊接的該樣品e及該樣品f仍能保持足夠良好的拉伸強度及延展性，是由於在以較低的功率進行二次雷射焊接時，會消除因一次焊接所產生的焊接應力，進而改善了該焊接區域的金屬脆化和焊接變形等問題，並降低了於該焊接區域的晶格缺陷濃度以有效地降低其電阻值，使該樣品e及該樣品f更能反覆地承受衝擊電流。由該電熱循環試驗可以推知，當該匯流板4(鋁片)焊接至該電極引線端32(銅片)，並進行二次雷射焊接後，該電池模組200可在承受多次充放電後仍具有足夠良好的焊接品質(即該焊接退火區63的拉伸強度不小於1800N，伸長量不低於3%)，而有良好的電池使用壽命。此外，該樣品e的拉伸強度及延展性在經過該電熱循環試驗後還有所提升，是因為反覆施加電流的時候，會在該銅片與該鋁片的焊接區域產生焦耳熱效 (Joule Heating Effect)而產生熱能，達到類似退火的效果，而提升了該焊接區域的拉伸強度與延展性。
綜上所述，本發明用於電池的焊接方法通過二次雷射焊接可改善該匯流板4及該電極引線端32之間因焊接所導致的焊接變形及金屬脆化等問題，並降低其電阻值，使該電池3在承受多次充放電後仍能保有足夠的拉伸強度與延展性，而具有良好的電池壽命，利用該微區退火步驟24可進一步降低電阻值和消除殘留的焊接應力，使該匯流板4不易自該電池3剝離而導致斷路，以提升焊接品質，同時避免該電池3在退火處理的受熱範圍太大而發生***，且故確實可達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
21:第一次焊接步驟
22:第二次焊接步驟
23:設置步驟
24:微區退火步驟
200:電池模組
3:電池
31:電池本體
32:電極引線端
4:匯流板
5:擋板
51:穿孔
61:一次焊接區
62:二次焊接區
63:焊接退火區
H1、H2:焊道深度
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一流程圖，說明本發明用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法的一實施例； 圖2是一流程示意圖，輔助圖1說明將一匯流板焊接至電池的至少一電極引線端的焊接過程；及 圖3是一示意圖，說明以該方法所製得的一電池模組。
21:第一次焊接步驟
22:第二次焊接步驟
23:設置步驟
24:微區退火步驟
Claims (6)
- 一種用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法，適用於將一匯流板焊接至一電池的至少一電極引線端，該方法包含：一第一次焊接步驟，以雷射焊接方式將該匯流板焊接至該至少一電極引線端，從而在該至少一電極引線端及該匯流板的接合位置形成至少一個一次焊接區；一第二次焊接步驟，以雷射焊接方式於該至少一個一次焊接區進行二次焊接，得到至少一個二次焊接區，且二次焊接所施加的雷射功率低於在該第一次焊接步驟所施加的雷射功率；及一微區退火步驟，以紅外線加熱方式於該至少一個二次焊接區進行退火處理。
- 如請求項1所述的用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法，還包含一執行於該微區退火步驟前的設置步驟，設置一用以遮蓋該電池並使該至少一電極引線端供焊接的區域對外露出的擋板，該微區退火步驟是在該至少一電極引線端露出的區域進行退火處理。
- 如請求項2所述的用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法，其中，該擋板由可承受該微區退火步驟的退火溫度的耐熱材料構成。
- 如請求項1所述的用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法，其中，於該微區退火步驟，是在溫度介於150℃至600℃的退火溫度進行退火處理。
- 如請求項1所述的用於電池電極的多次雷射焊接與局部微區退火方法，其中，該匯流板選自鋁金屬或鋁合金，該電池的電極引線端選自鋁金屬、銅金屬、鋁合金，或銅合金。
- 一種電池模組，包含：一電池，包括一電池本體，及至少一位於該電池本體其中一側的電極引線端，且該至少一電極引線端與該電池本體的電極電連接；及一匯流板，是以如請求項1所述的方法焊接於該至少一電極引線端，其中，該匯流板與該至少一電極引線端的焊接接面處形成有至少一個焊接退火區，且該至少一個焊接退火區具有由該至少一電極引線端的金屬，及該匯流板的金屬所生成的金屬間化合物，其中，該電池模組經過一電熱循環試驗後，該至少一個焊接退火區的拉伸強度不小於1800N，伸長量不低於3%，且該伸長量是以施加一拉剪速度為2.5x10-3mm/sec的作用力於該電池模組以量測取得，該電熱循環試驗是以經由該匯流板導入一電流值為2A的電流30秒至該電池本體後，斷電10秒為一次循環，並進行1000次循環。
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2022
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