專利名稱：對高功率電化電池內(nèi)連接外部施加激光焊接的方法和設計的制作方法
技術領域：
符合本發(fā)明的實施例涉及電化電池，更具體地涉及由激光焊接提供的內(nèi)部構件之 間的高強度、低阻抗的電接觸。
背景技術：
在例如蓄電池的電化電池中，電流從蓄電池電極箔被載送至位于中心的端子。電 極箔可與中心端子直接連接，或通過集流接片(tab)與中心端子連接。在某些傳統(tǒng)能量輸 送裝置中，在與中心端子連接處箔或接片的平面朝向很大程度上與電池縱軸一致。采用這 樣的連接，需要電池中有相當大的垂直空間。已知的采用超聲、電阻或其它的焊接方法來接合(join)電極接片的方案要求內(nèi) 部蓄電池構件(例如，接片)可以接觸到焊砧、電極和激光束等。題為“CapAssembly For a High Current Capacity Energy Delivery Device (用于高電流容量能量輸送裝置的蓋組 件)”的美國專利申請No. 12/135708中公開了現(xiàn)有接合技術的例子，該申請通過引用并入 于此。圖1示出了市售的現(xiàn)有技術設計的鋰離子蓄電池10。蓄電池10包括端子端 (terminal end) 20和非端子端(non-terminal end) 30。圖2中示出了移開了端子端20的 蓄電池10。提供延伸接片40來將端子帽20電連接到蓄電池10的內(nèi)部工作部分。更具體 地，延伸接片40用作負端子50與位于墊圈70之下的負集流極接片60之間的通道。雖然 延伸接片在該配置中是必需的，但它占去了電池的體積，否則可以用來提供更大的電池容 量。正端子80電連接到電池10，其保持正電勢。采用徑向焊接將電極接片60連接到芯插 件90，產(chǎn)生焊接痕94。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明示例性實施方式提供一種用于電化電池的端帽插件，該端帽插件特別設計 為允許激光能量透過到至少一個電極接片。該帽插件設計還實現(xiàn)限制圓形焊接路徑以確保 下面的電極接片之間無間隔地完全疊置的功能。在不存在內(nèi)部間隙的情況下，激光產(chǎn)生的 鎖孔所形成的所有焊渣(spatter)被直接導出到電池外，因此減小了焊接電池內(nèi)部構件時 與自由金屬顆粒相關的風險。根據(jù)一示例方面，提供了一種電化電池，該電化電池具有金屬罐(canister)、置于 金屬罐中的芯插件、以及具有背對芯插件的外表面的端帽插件。至少一個電極接片置于端 帽插件和芯插件之間。該端帽插件、至少一個電極接片、以及芯插件通過外部激光束提供的 焊縫實現(xiàn)電連接。該焊縫引起從端帽插件的外表面延伸至芯插件的被焊接構件的物理變 形。根據(jù)發(fā)明的另一個方面，提供了一種外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法。該方 法包括提供電池金屬罐；將至少一個電極接片置于所述金屬罐內(nèi)；向金屬罐內(nèi)插入芯插 件；與芯插件相對地放置端帽插件；以及對該端帽插件施加外部激光束，其中所述端帽插
5件、至少一個電極接片以及芯插件通過從端帽插件延伸到芯插件的焊縫實現(xiàn)電連接。在任一前述實施方式中，端帽插件為電池的陰極電勢與陽極電勢之一。焊縫沿電 化電池的縱向延伸，起始于端帽插件的凹陷中空區(qū)域。焊縫穿透端帽插件和至少一個電極 接片。在任一前述實施方式中，焊縫完全包含于端帽插件、至少一個電極接片和芯插件 中。在任一前述實施方式中，焊縫不穿過端帽插件、至少一個電極接片和芯插件之間 的任何內(nèi)部間隙。在任一前述實施方式中，端帽圍繞端帽插件，并且通過縫焊與金屬罐相連。在任一前述實施方式中，端帽與金屬罐具有不同的電勢。端帽插件可為正電勢并 含有鋁。端帽插件可為負電勢，并由選自包括鐵、鋼、鍍鎳鋼、鎳、不銹鋼、銅以及銅合金的組 的一種材料制成。在任一前述實施方式中，在端帽插件周圍設置有鉚釘。端帽插件可以形成負極端 子的一部分，鉚釘可包括鍍鎳鋼。在進一步的實施方式中，鉚釘和芯插件被設置為單個整體 部件或構件的形式。在任一前述實施方式中，焊縫為鎖孔焊縫。該焊縫可能形成如下圓形路徑，其大約 為至少一個電極接片寬度的一半，以使得到的焊縫完全限于包括端帽插件、至少一個電極 接片和芯插件的材料的實體堆疊(solid stack)內(nèi)。在任一前述實施方式中，端帽插件為杯狀，外部激光束在端帽插件的中空部中沿 圓形路徑移動。在任一前述實施方式中，端帽插件涂覆有無孔、粘性聚合物的涂層。本發(fā)明示例性實施例提供了一種帽設計，其較之現(xiàn)有技術占用的空間更小，從而 在體積和重量方面更加高效。因此，更多量的活性物質(zhì)可裝入電化電池中。應當理解，上述 多個特征可彼此結合地實施。


根據(jù)以下結合附圖的詳細說明，將更加全面地理解和領會本發(fā)明的示例性實施 例，在附圖中圖1為傳統(tǒng)的電化電池設計；圖2為傳統(tǒng)的移開了端子端后的電化電池；圖3A為對電極接片采用外部激光焊接的蓄電池設計的截面圖；圖3B為采用密封帽的蓄電池設計的截面圖；圖4為提供通過接片疊層并進入芯插件的焊縫的外部激光束焊點熔核的截面圖；圖5A為根據(jù)本發(fā)明一個方面的具有插件的陰極帽的示意圖；圖5B為根據(jù)本發(fā)明一個方面的陽極帽的示意圖；圖5C為根據(jù)本發(fā)明一個方面的具有插件的陰極帽的截面圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明一個方面的非整合的陰極端帽/插件設計的截面圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明一個方面的整合的陰極端帽/插件設計的截面圖；以及圖8為根據(jù)本發(fā)明一個方面的與端帽一體形成的金屬罐的截面圖。
具體實施例方式符合本發(fā)明的實施例采用外部激光能量將帽構件連接到蓄電池的內(nèi)部構件?？梢?采用鎖孔焊接，其中高功率激光束在要焊接的部分上形成蒸汽孔穴，然后用液態(tài)金屬填充 該孔穴。還可采用除激光焊以外的其他焊接方法來實現(xiàn)外部焊接?？尚械暮附臃椒砂?電子束焊、等離子弧焊或電阻焊。錫焊(solder)或銅焊(braze)技術也可用于接合多個部 件。圖3A為根據(jù)本發(fā)明實施例的蓄電池的截面圖，其例示了在示例性高功率鋰離子 蓄電池100中的包括端帽插件120、電極接片130和果凍卷(jellyroll)狀芯插件140的 焊接構件。這些構件通過將端帽組裝到容納圓形果凍卷狀芯插件140的罐上而彼此可連通 地接合，使得端帽插件120、電極接片130和果凍卷狀芯插件140在施加焊接之前置于其組 裝位置。在一個示例性實施例中，果凍卷為圓柱形狀。外部產(chǎn)生的激光能量110被引導到帽插件120的表面處，然后穿透端帽插件120， 并通過形成激光接合柱或焊點熔核150將端帽插件120焊接到下部的接片130和支撐芯插 件140上并。在一個實施例中，例如約4mm的焊接直徑有助于確保焊接完全穿透例如8mm寬 電極接片130的全部接片層，由此很大程度地減少或完全消除了電池內(nèi)部焊渣的風險。因 此，將激光能量110穿透芯插件140的任何部分并毀壞果凍卷的風險最小化。應將激光路 徑的直徑設置為使其不會包圍電極之間的間隙或間隔。端帽插件120的表面的厚度允許激 光有效透過。在一個示例性實施例中，經(jīng)受激光的帽插件120的部分的厚度約為0. 5mm。也可采用直徑減小的芯插件140，其潛在地消除了反折最里面的兩個接片130的 需要。端帽插件120通過鉚釘121牢固地安裝到蓄電池110，其被設計為將外部施加的激 光110必須穿過的材料量降到最小以有效地將所有電極接片130組合在一起，并且減少周 圍構件過多的熱量，否則該熱量可能會對蓄電池的操作產(chǎn)生不利影響。帽插件120的杯狀 設計限制了鎖孔焊的路徑，并將焊渣保持在電池外部，從而通過消除了產(chǎn)生小的自由飄浮 的金屬顆粒和電化電池內(nèi)的熔融材料的可能性，由此提供了優(yōu)于對內(nèi)部構件進行內(nèi)焊接的 優(yōu)勢。某些材料電化學適合于鋰離子蓄電池的正電極電勢處，某些材料電化學適合于鋰 離子蓄電池的負電極電勢處。在一些實施例中，在一個電勢處適合的材料在蓄電池的相反 電勢處不會適合。電池正電勢部分的示例性材料為鋁和鋁合金。這些材料具有能利用常見 激光技術焊接的附加優(yōu)點。用于鋰離子電池的負電勢處的構件的材料示例包括鐵、鋼、鍍鎳鋼、鎳、不銹鋼以 及銅或銅合金(如，黃銅和青銅)。在本發(fā)明實施例中，端帽插件120由高純度鎳(Ni 200 或M 201)構成，其可容易地與銅焊接在一起，其中銅是構成接片130的示例性材料。銅常 用作鋰離子電池中的負極接片材料。銅的電阻率顯著地低于鎳。銅還比鎳利于實現(xiàn)更大的 體積和重量能量密度。銅的一個缺點是，當通過熔融焊與鋼接合時，在焊縫中趨于形成裂 紋，使得這種焊縫的密封性能不可靠。然而，鎳可容易地通過激光焊與銅焊接在一起，并且 是構成帽插件的示例性材料。鎳還可以容易地與鍍鎳鋼焊接合在一起，鍍鎳鋼是電池負端 子的鉚釘構件的示例性材料。當端帽插件由易受大氣腐蝕的材料制成時，例如當采用鋼或 者鍍鎳鋼作為端帽插件材料時，可以采用無孔粘性聚合物涂層(如，環(huán)氧或丙烯酸)來保護其不受環(huán)境腐蝕。圖3B為另選蓄電池的截面圖，其例示了圖3A中的被焊接構件，包括通過焊點熔核 150而連接在一起的端帽插件120、電極接片130和果凍卷狀芯插件140，從而提供了高功率 鋰離子蓄電池100。根據(jù)一個示例性實施例，端帽插件120容納有位于該端帽插件120的通 氣孔170之上的密封杯160。通氣孔170延伸通過端帽插件120的底部。密封杯160可通 過例如繞杯160的上部邊沿提供焊縫162而與端帽插件120相連接。通常由熔核或其它類型的焊縫150提供的圓形焊接在電池100的內(nèi)部區(qū)域與外部 區(qū)域之間形成了氣密密封。焊縫150也為連接在一起的構件提供了結構上的穩(wěn)定性，進而 提供的構件之間的電連接。在一定環(huán)境下，如果發(fā)生裂紋或瑕疵，焊點熔核150可能損害氣 密密封。本實施例的一個示例方面提供通氣孔170來與焊縫150提供的密封相對。同時， 焊縫150可形成為小于360度的圓，例如通過延伸該焊縫僅約350度左右。延伸焊縫達350 度或少于360度仍然可以提供連接構件之間的結構整體性和電連接性，但不能保證完全的 氣密密封。相反，端帽插件120被密封杯160氣密密封。插入密封杯160后，可進行滲漏測 試。滲漏測試可按照任何合適的方式進行，包括通過將氮氣或氦氣注入到電池中來加壓，并 監(jiān)測逸出的氣體，如本領域技術人員所知。通過不依賴焊縫150來提供氣密密封，測試可以確定密封杯160獨自是否足以提 供氣密密封。這樣就消除了在滲漏測試確定不存在滲漏以及代替杯160而由焊縫150暫時 提供密封的環(huán)境中，對持久的氣密密封的存在的假性信任。如果杯160從開始就出現(xiàn)故障， 但電池仍然通過了滲漏測試，則可能存在這樣一種情況，即焊縫150然后劣化或者以其他 方式產(chǎn)生消除或降低氣密密封的瑕疵。由于焊縫150比密封杯160更容易在一定時間之后 產(chǎn)生瑕疵，所以這種情況引起關注。如果從開始就已知，氣密密封適當?shù)赜擅芊獗?60而不 是焊縫150提供，那么可以更確信電池隨時間保持氣密密封的能力。參見圖4，示出了外部施加的激光焊點熔核的截面圖。外部激光束能量110被引 導通過端帽插件120，以將電極接片130焊接到果凍卷狀芯插件140。被焊接材料以圓形的 方式從端帽插件120的內(nèi)表面延伸到果凍卷狀芯插件140。該焊點熔核的實施例顯示了典 型的鎖孔激光焊的形狀。可以采用其他形式的焊接，如傳導焊。傳導焊對材料的侵入性更 小，但可允許更多的熱傳導到周圍元件。鎖孔焊比傳導焊更集中，通常在短時間脈沖串內(nèi)使 用更高的峰值功率。焊接沿著端帽插件120的內(nèi)部以圓形運動進行。圖5A例示了另選實施例，其包括具有一體構造的端帽插件310A的陰極端子端帽 300A。在該示例性實施例中，電池的一個或兩個端子可與電池罐(未示出)電絕緣。圖5B 示出了帽300A的底部300B，并且包括組裝時壓靠電極的突起310B。圖5C為例示端帽插件 310A、通氣孔420和注入孔440的截面圖。圖5A-5C的實施例允許外部施加的激光焊接從 端帽插件310A的朝向外的底面延伸穿過突起310B直至果凍卷狀芯插件140，如上所述。參見圖6，示出了具有另選端帽插件410的帽組件400。按照上述方式，外部激光 能量被引導到端帽插件410的朝向外的內(nèi)表面422，以將下方的電極接片連接到芯插件上。 端帽插件410中設置有通氣孔420，以釋放蓄電池內(nèi)形成的壓力。鉚釘460置于端帽插件 410周圍，并連接到端帽插件410，從而提供與外部設備的電接觸。鉚釘460可由適于電化 電池的導電導熱材料制成。墊圈430被設置為將端帽插件410與相鄰構件牢固地安裝。還提供聚合物襯墊
8470用于電池的帽與接片之間的密封?？刹捎闷渌牧闲纬擅芊?，如基于玻璃的界面。襯墊 470提供液密密封，并提供帽板450和鉚釘460之間的電絕緣。提供注入孔440來向電池添 加電解液。帽板450圍繞著鉚釘460，以使帽組件400與電池罐結合在一起。端帽插件410 可用作陰極或陽極連接的一部分。參見圖7，例示了示例性而非限制性的實施例的整合陰極帽杯設計。該設計與圖6 所示的非整合實施例相似，只是鉚釘500和端帽插件510被鑄模為一個單一構件。如圖所 示，可以提供螺線520，用于將電化電池連接到需要能量的設備或其它電池。參見圖8，示出了另一實施例，包括整合的陰極帽/罐設計，其中端帽插件610作為 電池罐600的一部分。除了排除焊接顆粒進入電池的可能性外，該實施例的一個好處是構 造電池所需的部件更少。如圖8所示，本實施例允許電池的一個端子與電池金屬罐600隔 離。由于成本和陰極端子用材料的屬性，隔離或非整體端子可能適用于負極端子。例如， 如果鋁用于整體端子，電池金屬罐600結構的大部分將具有更輕的材料。在電池的負電勢 下材料腐蝕的可能性小。在該實施例中，電池內(nèi)部構件通過電池開口端置于電池金屬罐600 中。端帽插件640允許外部激光能量按照圓形方式被引導通過開口 640而將電極接片固定 在芯插件，如圖3中所示。還包括通氣孔420和注入孔440，它們與非整合的帽/罐組件以 同樣的方式工作。上述特征可彼此結合地實施，從而提供根據(jù)本發(fā)明的各種示例性實施例。盡管前面描述了本發(fā)明的各種實施例，但是本領域普通技術人員將理解多種變 化、改動、改進、替代等等都是可能的，特別是在本說明書、附圖和從中提出的權利要求的教 導下。在任何情況下，由于本發(fā)明范圍可能比特定實施例寬得多，所以前述具體描述不應被 解釋為對本發(fā)明范圍的限定，該范圍僅由所附權利要求來限定。本申請要求于2008年11月25日提交的、題為“Method and Design forExternalIy Applied Laser Welding of Internal Connections in a High PowerElectrochemical Cell (對高功率電化電池內(nèi)連接外部施加激光焊接的方法和設 計)”的美國臨時申請No. 61/117，760的權益，該申請通過引用并入于此。
權利要求
一種電化電池，包括金屬罐；置于金屬罐中的芯插件；端帽插件，該端帽插件具有背對芯插件的外表面；以及置于端帽插件和芯插件之間的至少一個電極接片；其中，端帽插件、至少一個電極接片和芯插件通過金屬罐外部的焊接源提供的焊縫而電連接，該焊縫包括端帽插件、至少一個電極接片和芯插件的物理變形，該物理變形從端帽插件的外表面向芯插件延伸。
2.權利要求1所述的電化電池，其中，所述焊接源為激光束，并且所述物理變形包括已 固化的熔融材料。
3.權利要求1所述的電化電池，其中，所述焊縫沿著電化電池的縱向延伸，并始于端帽 插件的中空區(qū)域。
4.權利要求1所述的電化電池，其中，所述焊縫沿著電池的縱向穿透端帽插件的凹部 和至少一個電極接片的整個厚度。
5.權利要求1所述的電化電池，其中，所述焊縫完全包含在端帽插件、至少一個電極接 片和芯插件中。
6.權利要求1所述的電化電池，其中，所述焊縫不穿過端帽插件、至少一個電極接片和 芯插件之間的任何內(nèi)部間隙。
7.權利要求1所述的電化電池，其中，端帽圍繞著所述端帽插件，并通過縫焊連接到金屬罐。
8.權利要求7所述的電化電池，其中，所述端帽被設置為處于與金屬罐的電勢不同的 電勢下。
9.權利要求1所述的電化電池，其中，所述端帽插件處于正電勢，并包括鋁。
10.權利要求1所述的電化電池，其中，所述端帽插件處于負電勢，并由選自鐵、鋼、鍍 鎳鋼、鎳、不銹鋼、銅和銅合金構成的組中的一種材料制成。
11.權利要求1所述的電化電池，其中，鉚釘繞端帽插件設置。
12.權利要求11所述的電化電池，其中，端帽插件形成負極端子的一部分，并且鉚釘 包括鍍鎳鋼。
13.權利要求1所述的電化電池，其中，鉚釘和芯插件被設置為單一整體部件形式。
14.權利要求1所述的電化電池，其中，所述焊縫為鎖孔焊縫。
15.權利要求1所述的電化電池，其中，所述焊縫形成圓形路徑，該路徑約為至少一個 電極接片寬度的一半，使得得到的焊縫完全限于包括端帽插件、至少一個電極接片和芯插 件的材料的實體堆疊內(nèi)。
16.權利要求1所述的電化電池，其中，端帽插件形狀為杯形。
17.權利要求2所述的電化電池，其中，外部激光束遵循圓形路徑，并且端帽插件具有 限定該圓形路徑的中空部分。
18.權利要求1所述的電化電池，其中，端帽插件被涂覆以無孔粘性聚合物涂層。
19.權利要求1所述的電化電池，包括與端帽插件連接的密封杯，從而在端帽插件和電 化電池的內(nèi)部區(qū)域之間提供氣密密封。
20.權利要求19所述的電化電池，其中，端帽插件包括延伸穿過外表面的通氣孔。
21.—種外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，該方法包括提供電池金屬罐；將至少一個電極接片放置在金屬罐中；將芯插件插入金屬罐中；與芯插件相對地放置端帽插件，以使得至少一個電極接片位于端帽插件和芯插件之 間；以及在將端帽插件與芯插件相對地置于金屬罐中之后，對端帽插件施加外部焊接源，其中， 端帽插件、至少一個電極接片和芯插件通過從端帽插件延伸到芯插件的焊縫而被電連接。
22.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述焊接源為激 光束。
23.權利要求22所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，外部激光束被引 導通過端帽插件的中空區(qū)域。
24.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述焊縫沿電池 的縱向穿透端帽插件的凹部和至少一個電極接片的整個厚度。
25.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述焊縫完全包 含在端帽插件、至少一個電極接片和芯插件內(nèi)。
26.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述焊縫不穿過 端帽插件、至少一個電極接片和芯插件之間的任意內(nèi)部間隙。
27.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，圍繞所述端帽插 件設置端帽。
28.權利要求27所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述端帽被設置 為處于與金屬罐的電勢不同的電勢下。
29.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述端帽插件處 于正電勢，并包括鋁。
30.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述端帽插件處 于負電勢，并由選自鐵、鋼、鍍鎳鋼、鎳、不銹鋼、銅和銅合金構成的組中的一種材料制成。
31.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，繞端帽插件設置 鉚釘。
32.權利要求31所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，端帽插件形成負 極端子的一部分，并且鉚釘包括鍍鎳鋼。
33.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，鉚釘和芯插件被 設置為單一整體部件形式。
34.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述焊縫為鎖孔 焊縫。
35.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，所述焊縫繞圓形 路徑提供，其約為至少一個電極接片寬度的一半，使得得到的焊縫完全限于包括端帽插件、 至少一個電極接片和芯插件的材料的實體堆疊內(nèi)。
36.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，端帽插件被設置為杯形。
37.權利要求22所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，外部激光束遵循 圓形路徑，并且端帽插件具有限定該圓形路徑的中空部分。
38.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，端帽插件被涂覆 以無孔粘性聚合物涂層。
39.權利要求21所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，通過向端帽插件 中插入密封杯，在端帽插件和電化電池的內(nèi)部區(qū)域之間形成氣密密封。
40.權利要求39所述的外部連接電化電池的內(nèi)部構件的方法，其中，通過提供穿過端 帽插件的外表面的通氣孔，形成穿過該端帽插件的泄漏。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對高功率電化電池內(nèi)連接外部施加激光焊接的方法和設計。所述電化電池包括在組裝到電池金屬罐中后由外部源焊接的多個構件。電池金屬罐容納電極接片和芯插件。端帽插件與芯插件相對地設置。將諸如激光束的外部焊接源施加到端帽插件，使得端帽插件、電極接片和芯插件通過從端帽插件延伸到芯插件的焊縫而電連接。提供的帽設計比現(xiàn)有技術占用的空間更小，因此在體積和重量方面更加高效。因此，更多量的活性物質(zhì)可裝入電化電池中。
文檔編號B23K26/20GK101916876SQ20091025846
公開日2010年12月15日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權日2008年11月25日
發(fā)明者C·E·馬丁, L·方丹, W·H·加德納 申請人:A123系統(tǒng)公司