用于軟包鋰電池的復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳及復合金屬帶材的制作方法
【專利摘要】一種用于軟包鋰電池的復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳及復合金屬帶材，所述正極耳由厚度相同的純鋁片和焊接片組成，兩者之間在垂直于所述正極耳的長度方向的結(jié)合面通過物理冶金鍵合形成牢固結(jié)合；所述正極耳的焊接片伸出鋁塑包裝袋的部分無鋁；其中，所述焊接片為純鎳片、純銅片或?qū)訝顝秃辖饘倨槐緦嵱眯滦涂筛拘缘亟鉀Q現(xiàn)有技術(shù)所帶來的可焊性差、易拉斷及折斷、接觸電阻大、轉(zhuǎn)焊工序成本高等一系列問題，使得鋰離子電芯制備過程及極耳與電源線路板連接的質(zhì)量穩(wěn)定可靠性顯著提升。
【專利說明】用于軟包鋰電池的復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳及復合金屬帶材
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于聚合物及液態(tài)軟包鋰離子電池電芯用正極耳制造技術(shù)，具體是一種用于軟包鋰電池的復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳及復合金屬帶材。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，聚合物及液態(tài)軟包鋰離子電池電芯用正極耳大都采用鋁極耳。眾所周知，極耳需要與電池管理線路保護板或電線進行焊接，但同時鋁與保護板或電線上的錫無法實現(xiàn)良好焊合，現(xiàn)有工藝方案絕大多數(shù)采用激光焊或超聲焊接將一段鎳片以搭接方式轉(zhuǎn)焊至鋁極耳的外露端，通過轉(zhuǎn)焊好的鎳片再與線路保護板或電線上的錫進行連接。這種方式帶來以下四方面問題急需解決:1、激光或超聲焊點所形成的凹凸痕跡影響電芯的外觀；2、鋁與鎳之間的焊結(jié)點實際接觸面積與兩者(鋁與鎳)之間搭接所形成的疊合總面積相比比例較小，意味著接觸電阻大不利于電芯內(nèi)阻降低；3、轉(zhuǎn)焊工序的增加意味著電芯制作的生產(chǎn)成本增加，質(zhì)量不穩(wěn)定性同時增加；4、轉(zhuǎn)焊后的極耳在搭接處附近極易出現(xiàn)虛焊、脫焊甚至折斷現(xiàn)象；5、伸出鋁塑包裝袋的袋口附近經(jīng)常出現(xiàn)鋁極耳斷裂從而使得整個電池報廢現(xiàn)象。
[0003]針對上述鋁極耳轉(zhuǎn)焊鎳過程出現(xiàn)的諸多問題，在同一領(lǐng)域國內(nèi)外還發(fā)展了數(shù)種其它技術(shù)方案。主要有以下幾大類:
[0004]I)鋁極耳表層局部鍍覆鎳或銅或錫型。中國專利200820009887.0,2010241715.8、201010241631.4,200810236321.6,201110308950等方案實質(zhì)上均涉及在鋁極耳上局部鍍
覆來實現(xiàn)節(jié)省轉(zhuǎn)鎳工序。由于鋁具有非常容易生成致密Al2O3特性，使得鍍覆其它材料的的技術(shù)難度增大；另外純鋁基材很軟，使得鍍覆材料整體強度低而且抗折彎性差。這些問題都嚴重限制了在鋁極耳上鍍覆材料的應(yīng)用。
[0005]2)搭接式轉(zhuǎn)焊鎳變更為搭接式轉(zhuǎn)焊銅。專利201120357203所述就屬于這一類型，雖然銅與錫的親和性要優(yōu)于鎳與錫之間的親和性，但上述所提的轉(zhuǎn)焊鎳過程中的四大問題在轉(zhuǎn)焊銅時仍然類似存在，因而仍然存在很大質(zhì)量隱患。
[0006]3)在鋁和鎳疊合部位熱熔材料形成一體化。專利200510122316.9采用有機高分子類型的熱熔材料將鋁極耳與鎳在疊合位置進行包裹式熔合，這種方式實際上只能保證熱熔材料本身的熔合，而熱熔體里面的鋁和鎳由于沒有相互塑性變形因而難以真正形成相互牢固結(jié)合，鋁鎳兩者之間的接觸電阻顯然非常大造成整體電芯內(nèi)阻增加，而且在電芯正極耳露出端突出的熱熔體塊外形破壞了電池產(chǎn)品的整體美觀性。
[0007]4)異型復合金屬型極耳。美國專利US2011/0274964提供了一種異型復合金屬型極耳解決方案，該方案是用復合法生產(chǎn)出面復合結(jié)構(gòu)的鋁/銅復合金屬材料，再將局部的銅層部分采用蝕刻、刨削、機械成型方式除去，最終制備出異型復合金屬型極耳。這種極耳一端(在電芯包裝袋內(nèi))為鋁，而另一端(露出電芯部分)則是在鋁基材的基礎(chǔ)上復合了用于改善與線路板焊接的一層銅材，即極耳兩端厚度不同且材質(zhì)也不同。在鋰離子電池極耳整體厚度一般在0.05、.3mm范圍的情況下，顯然在如此薄的面復合結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)上再要準確除去局部位置的銅復合層的可實現(xiàn)性很小、成本很高因而并不現(xiàn)實。[0008]5)三層與五層組合的復合金屬型極耳。中國實用新型專利201220089021.1提供了一種招一銅一招二層結(jié)構(gòu)與鎮(zhèn)一招一銅一招一鎮(zhèn)五層結(jié)構(gòu)或招一銅一招二層結(jié)構(gòu)與銅一鋁一銅一招一銅五層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復合金屬型極耳，另外還有其制造方法的實用新型專利已同日申請但暫時未公開。其中在鋁塑包裝袋內(nèi)的極耳端即鋁一銅一招三層復合結(jié)構(gòu)部分與正極片鋁進行焊接，而露出外端的極耳外表層的鎳或銅實現(xiàn)與錫的連接。該技術(shù)方案明顯存在以下幾方面質(zhì)量隱患而難以得到推廣:a)鋁一銅一鋁三層復合結(jié)構(gòu)部分由于中間層有銅，導致其與鋁正極片焊接的強度及可靠性遠較原有純鋁極耳與鋁極片的差；b)極耳在鋁塑包裝袋內(nèi)部的鋁一銅一鋁三層復合結(jié)構(gòu)實質(zhì)上已構(gòu)成了存在鋁和銅電位差異的微電池，這對電解液環(huán)境條件下的極耳電化學抗蝕性顯然是非常不利的；c)在電芯化成分容測試、極耳與電源線路板裝配過程中，該極耳的五層復合結(jié)構(gòu)部位在多次彎折變形過程中非常容易折斷，這與五層復合結(jié)構(gòu)中軟硬層之間的變形難協(xié)調(diào)性所造成的應(yīng)力集中大密切相關(guān)，尤其是對于鎳/鋁這種組合之間的應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯。
[0009]本實用新型人在中國實用新型專利201320022487.4中提出了鋁基鑲嵌復合結(jié)構(gòu)的極耳技術(shù)方案，該方案已很好解決了現(xiàn)有技術(shù)的可焊性差、易拉斷、接觸電阻大、轉(zhuǎn)焊工序成本高等一系列問題，但對于鋁鑲嵌鎳極耳而言，在解決鋁與鎳之間的變形協(xié)調(diào)性方面還有待進一步改善和提聞。
[0010]由上可見，目前迫切需要開發(fā)出新的正極耳材料及其制造技術(shù)，來可靠、有效地解決上述現(xiàn)有材料及其制備應(yīng)用過程中所存在的各類問題，且易于推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]鑒于現(xiàn)有正極耳制造技術(shù)存在的上述諸多缺陷，本實用新型提供一種用于軟包鋰電池的復合金屬 結(jié)構(gòu)正極耳及復合金屬帶材。該正極耳采用一種免轉(zhuǎn)焊的側(cè)面復合結(jié)構(gòu)帶材制造，可根本性地解決現(xiàn)有技術(shù)所帶來的可焊性差，易拉斷及折斷，接觸電阻大，轉(zhuǎn)焊工序成本高等一系列問題，使得鋰離子電芯制備過程及極耳與電源線路板連接的質(zhì)量穩(wěn)定可靠性顯著提升。
[0012]一種用于軟包鋰電池的復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳，由厚度相同的純鋁片和焊接片組成，兩者之間在垂直于所述正極耳的長度方向的結(jié)合面通過物理冶金鍵合形成牢固結(jié)合；所述正極耳的焊接片伸出鋁塑包裝袋的部分無鋁；其中，所述焊接片為純鎳片、純銅片或?qū)訝顝秃辖饘倨?br> [0013]所述層狀復合金屬片包含至少3層金屬層，相鄰金屬層之間牢固結(jié)合且最外層的金屬層為鎳層。
[0014]所述層狀復合金屬片最好為鎳-銅-鎳或鎳-銅-鎳-銅-鎳層狀復合金屬片。
[0015]所述層狀復合金屬片中鎳層的厚度為所述正極耳厚度的0.5_40%。
[0016]所述復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳的厚度為0.05^0.3mm。
[0017]用于橫向沖制或剪切成型上述復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳的一種復合金屬帶材，所述復合金屬帶材由厚度相同的純鋁帶和焊接帶組成，兩者之間在相鄰縱向側(cè)面通過物理冶金鍵合形成牢固結(jié)合；其中，所述焊接帶為純鎳帶、純銅帶或?qū)訝顝秃辖饘賻А?br> [0018]該復合金屬帶材中，所述層狀復合金屬帶包含至少3層金屬層，相鄰金屬層之間牢固結(jié)合且最外層的金屬層為鎳層。[0019]所述層狀復合金屬片為鎳-銅-鎳或鎳-銅-鎳-銅-鎳層狀復合金屬片。
[0020]所述復合金屬帶材的厚度為0.05^0.3mm。
[0021]本實用新型復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳具有以下幾點明顯優(yōu)勢:
[0022]I)該極耳整體焊接性優(yōu)異，可完全省去目前所用的鋁轉(zhuǎn)鎳工序。該復合金屬結(jié)構(gòu)由兩部分整體厚度相同的金屬帶材在相鄰側(cè)面以物理冶金鍵合牢固結(jié)合的方式組成，其中該結(jié)構(gòu)極耳的純鋁部分可確保極耳與純鋁的正極片很好的焊接結(jié)合，而極耳的另一部分在伸出鋁塑包裝袋時其表層為鎳或銅就能確保該極耳與線路板的焊錫可靠性。
[0023]2)抗折斷性及抗拉斷性強。由于極耳伸出鋁塑包裝袋外的部分無鋁，而且該部分無鎳/鋁這種組合之間容易形成應(yīng)力集中的層狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，這對于提高極耳的抗折斷性和抗拉性顯然是有利的。
[0024]3)較現(xiàn)有技術(shù)特別是鋁轉(zhuǎn)鎳型極耳而言，該復合金屬結(jié)構(gòu)的極耳導電性優(yōu)異。本實用新型所述的極耳中各組元金屬帶材之間的結(jié)合界面(無論是側(cè)面還是層面)均牢固鍵合，即接觸電阻顯著降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為實施例1復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳長度方向的剖面圖，
[0026]圖2為本實施例2復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳長度方向的剖面圖。
【具體實施方式】
[0027]以下結(jié)合具體實施例對本實用新型做詳細描述。
`[0028]參照圖1，實施例1復合金屬結(jié)構(gòu)單體正極耳由純鋁片I和銅片2(焊接片)組成，純鋁片I和銅片2a厚度相同，兩者在橫向結(jié)合面通過物理冶金鍵合形成牢固結(jié)合；該單體正極耳采用鋁/銅側(cè)面復合金屬帶材沿其橫向沖制而成。單體正極耳尺寸為0.1 mm (厚)X4mm (寬)X70 mm (長)，貼0.1mmX4mm(寬)白膠3，其中露出電芯鋁塑包裝袋外的極耳長度約為10mm。
[0029]其制備過程如下:
[0030]步驟1、采用軋制復合法制備出鋁/銅側(cè)面復合金屬帶材。軋制復合的組元原材料分別為:鋁基材(牌號1060)，厚2mm，寬150mm ;銅帶材為純度99.90%的純銅帶，厚1mm，寬23mm。重復采用在原材料鋁基材中間縱向刨槽鑲嵌銅帶材軋制復合工藝，即在鋁基材上鑲嵌軋制復合單面銅材后再在另一面上繼續(xù)鑲嵌軋制復合銅材，可制得0.28mm厚、寬150mm的鋁/銅/鋁側(cè)面復合帶材。其中，鑲嵌軋制復合的工藝參數(shù)為:鋁基材與銅帶加熱溫度均為150°C，軋制變形率分別為65%和60%。
[0031]步驟2、經(jīng)過熱處理、軋制工序、縱向剪切等工序，獲得滿足最終極耳厚度和長度要求的成品帶材。步驟I復合后的帶材經(jīng)過保溫600°C、退火速度10米/分鐘的連續(xù)光亮退火，然后經(jīng)過5道次軋制至厚0.1mm,再沿該側(cè)面復合金屬帶材的縱向中心線剪切成兩條70_寬的成品帶材，最后進行成品帶材軟化光亮退火。成品帶材軟化光亮退火的參數(shù)為:保溫350°C、保溫時間3小時，通氨分解氣保護。
[0032]步驟3、將退火后的成品帶材進行橫向剪切，獲得4 mm寬度的條材。
[0033]步驟4、對條材進行表面除油、鈍化、烘干處理。進入超聲波清洗除油槽、鈍化液槽鈍化，最后進入溫度為80°C烘干箱進行烘干處理。
[0034]步驟5、熱封貼極耳膠即成極耳。在復合金屬結(jié)構(gòu)的條材上下表面跨越鋁片I和銅片2a交界位置熱封貼0.1mm (厚)X4mm(寬)的極耳白膠3 (圖1)。
[0035]這樣的復合金屬結(jié)構(gòu)極耳在后續(xù)連接中，鋁片I的端部與正極片的純鋁片可牢固焊接，銅片2a的端部則與電源線路板焊錫性佳，且極耳伸出鋁塑包裝袋外部分為純銅部分(無鋁)，因而抗折斷性及抗拉性好，整體極耳綜合性能優(yōu)異。
[0036]上述步驟2中，在步驟I復合后的鋁/銅/鋁帶材經(jīng)過5道次軋制至厚0.1mm后，可以將該鋁/銅/鋁帶材的沿縱向剪切成140mm寬的成品帶材，最后進行成品帶材軟化光亮退火；步驟3將退火后的成品帶材進行橫向剪切，獲得4 _寬度的條材，該條材長為兩個正極耳的長度(140mm);后續(xù)處理同上述步驟4和步驟5。
[0037]參照圖2，實施例2復合金屬結(jié)構(gòu)單體正極耳由純鋁片I和鎳-銅-鎳復合金屬片2a、2b (焊接片)組成，純鋁片I厚度和該鎳-銅-鎳復合金屬片厚度相同，兩者在橫向結(jié)合面通過物理冶金鍵合形成牢固結(jié)合。2b、2a分別表示鎳-銅-鎳復合金屬片的鎳層部分、銅層部分，它采用鋁/鎳-銅-鎳側(cè)面復合金屬帶材沿其橫向沖制而成。單體尺寸為0.1mm (厚)X4 mm (寬)X70 mm (長)，貼0.lmmX4mm(寬)黑膠3，其中露出電芯鋁塑包裝袋外的極耳長度約為10mm。
[0038]其制備步驟如下:
[0039]步驟1、采用軋制復合法與激光焊及等離子束焊接方法相結(jié)合方式制備出鋁/鎳-銅-鎳側(cè)面復合金屬帶材。側(cè)面復合金屬組元原材料分別為:鋁基材(牌號1060);純鎳帶材為純度99.95%的純鎳帶；銅帶材為純度99.90%的純銅帶。
[0040]首先，采用激光連續(xù)焊接工藝制得厚度為Imm的鋁/鎳側(cè)面復合金屬帶材2卷，其中招帶和鎳帶寬度分別為65mm、12mm,厚度則均為Imm ；
[0041]并采用等離子束連續(xù)焊接法制得厚度為3mm的鋁/銅側(cè)面復合金屬帶材I卷，其中招帶和銅帶寬度分別為65mm、12mm,厚度則均為3mm ；
[0042]隨后，將上述三卷側(cè)面復合金屬材料進行疊層式軋制復合，其中鋁/銅側(cè)面復合金屬帶材夾在兩卷鋁/鎳側(cè)面復合金屬中間。疊層復合時其軋制復合溫度為350°C，軋制變形率為80%，即可制得1.0 X 150mm的鋁/鎳-銅-鎳側(cè)面復合帶材，軋制復合后各組元材料層與層之間及相鄰側(cè)面間均達到物理冶金的牢固結(jié)合程度。
[0043]步驟2、步驟I復合后的帶材經(jīng)過熱處理、軋制工序、縱向剪切等工序制成滿足最終極耳厚度和長度要求的成品帶材。步驟I復合后的帶材經(jīng)過中間三次連續(xù)光亮退火(通氨分解氣保護，保溫60(TC、退火速度3-10米/分鐘不等，越薄退火速度則越快)，最后軋制至厚0.1mm，再沿該側(cè)面復合金屬縱向剪切成70mm寬的成品帶材，最后進行成品帶材軟化光亮退火。成品帶材軟化光亮退火的參數(shù)為:保溫350°C、保溫時間3小時，通氨分解氣保護。
[0044]步驟3、步驟2退火后的成品帶材帶材進行橫向剪切獲得4 mm寬度的條材。
[0045]步驟4、條材進行表面除油、鈍化、烘干處理。送入超聲波清洗除油槽、鈍化液槽鈍化，最后進入溫度為80°C烘干箱進行烘干處理。
[0046]步驟5、熱封貼極耳膠即成極耳。在復合金屬結(jié)構(gòu)的條材的上下表面跨越鋁片I和鎳層部分2b交界位置熱封貼0.1mm (厚)X4mm(寬)的極耳黑膠3 (圖2)。[0047]這樣的側(cè)面復合金屬結(jié)構(gòu)極耳在后續(xù)連接中，鋁片I的端部與正極片的純鋁片可牢固焊接，鎳層部分2b的端部則與電源線路板焊錫性佳，且極耳伸出鋁塑包裝袋外部分為鎳-銅-鎳部分(無鋁)，因而抗折斷性及抗拉性好，整體極耳綜合性能優(yōu)異。
[0048]以上所舉的實施例僅為便于說明本實用新型而設(shè)，這些實施例及詳細描述應(yīng)當不能用于限制本實用新型，大凡依所列申請專利范圍所做的各種變換、等同替代方案，均應(yīng)包含在本實用新型權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于軟包鋰電池的復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳，其特征在于，所述正極耳由厚度相同的純鋁片和焊接片組成，兩者之間在垂直于所述正極耳的長度方向的結(jié)合面通過物理冶金鍵合形成牢固結(jié)合；所述正極耳的焊接片伸出鋁塑包裝袋的部分無鋁； 其中，所述焊接片為純鎳片、純銅片或?qū)訝顝秃辖饘倨?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極耳，其特征在于，所述層狀復合金屬片包含至少3層金屬層，相鄰金屬層之間牢固結(jié)合且最外層的金屬層為鎳層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的正極耳，其特征在于，所述層狀復合金屬片為鎳-銅-鎳或鎳-銅-鎳-銅-鎳層狀復合金屬片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正極耳，其特征在于，所述層狀復合金屬片中鎳層的厚度為所述正極耳厚度的0.5-40%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極耳，其特征在于，所述正極耳的厚度為0.05、.3mm。
6.用于橫向沖制或剪切成型權(quán)利要求1所述復合金屬結(jié)構(gòu)正極耳的一種復合金屬帶材，其特征在于，所述復合金屬帶材由厚度相同的純鋁帶和焊接帶組成，兩者之間在相鄰縱向側(cè)面通過物理冶金鍵合形成牢固結(jié)合；其中，所述焊接帶為純鎳帶、純銅帶或?qū)訝顝秃辖饘賻А?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復合金屬帶材，其特征在于，所述層狀復合金屬帶包含至少3層金屬層，相鄰金屬層之間牢固結(jié)合且最外層的金屬層為鎳層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復合金屬帶材，其特征在于，所述層狀復合金屬片為鎳-銅-鎳或鎳-銅-鎳-銅-鎳層狀復合金屬片。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述``的復合金屬帶材，其特征在于，所述復合金屬帶材的厚度為`0.05^0.3mm。
【文檔編號】H01M2/26GK203631644SQ201320676430
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】徐卓輝, 沈翠珊 申請人:徐卓輝, 沈翠珊