一種電池殼焊接方法

2023-10-22 11:39:32 2

專利名稱：：一種電池殼焊接方法
技術領域：
：本發明涉及-一種電池殼的焊接方法，尤其涉及一種用雷射對二次電池外殼進行封裝的焊接方法。
背景技術：
：鋰離子電池作為一種綠色環保的電源，具有工作電壓高、比能量高等突出的優點，隨著鋰離子電池逐步廣泛應用於可攜式設備中，例如，手機、筆記本電腦等，對鋰離子電池又提出了體積要小、重量要輕的要求，以適應可攜式設備小型化的趨勢。為滿足這種對鋰離子電池的要求，在保證鋰離子電池具有較高性能以及可靠性的前提下，鋰離子電池越來越多地採用具有方形的電池外殼，從而有效地提高了空間的利用率。通常情況下，製造鋰離子電池方形外殼的方法為首先對金屬板進行機械加工，如衝壓，使金屬板成形為有底的方形外殼，該方形外殼具有開口端；然後，將由正極和負極組成的電池電極裝入該方形外殼內部；最後，利用封口板對該方形外殼的開口端進行封口，從而製得密閉的鋰離子電池。為確保鋰離子電池在各種環境中具有良好的性能，同時具有較長的使用壽命，即便是在翻滾跌落的情況下，也必須保證電池的方形外殼的開口端密封完好，不能出現裂縫。這是因為，如果出現裂縫，即鋰離子電池的殼體失去完好密封，則鋰離子電池外殼內部的電解物質會直接與空氣接觸，容易發生劇烈的化學反應，輕則使鋰離子電池報廢，嚴重則造成人身財產損失。因而，合格的鋰離子電池產品必須經過各種嚴格的翻滾跌落測試，以確保生產的鋰離子電池具有較高的可靠性。電池方形外殼的開口端與封口板之間的密封連接可以採用多種方法，傳統為機械的鉚接。由於鉚接的密封可靠性有限，而且鉚接的操作不利於提高生產率，因而目前大都採用雷射焊接的方法進行密封。CN1479389A公開了密閉式電池的製造方法及密閉式電池，如圖1所示，其中，電池外殼10的殼體部分10b的厚度為L2，外殼10的邊緣部分10a的厚度為"，封口板31的凸緣部分31b的厚度為T3，高度為丁2，封口板31的平坦部分31a的厚度為T,，這些參數需要滿足DT,/10+40、50微米《T3《T,以及50微米《L,《L2，通過設計滿足上述條件的封口板和電池外殼來降低在焊接部位產生的熱應力，從而防止裂紋的發生；還通過在焊接時調整雷射的能量分布，來降低焊接部位發生的熱應力，來防止裂紋的發生；還通過加熱裝置，從而焊接部位一邊慢冷卻一邊焊接，減慢焊接部位的冷卻速度，來降低焊接部位發生熱應力，來防止裂紋的發生。該技術方案著眼於焊接的微觀方面，從降低每個焊接點的熱效應出發來防止裂紋的發生。在該技術方案中，由於對外殼和封口板的設計尺寸有特殊要求，而且要求在焊接部位封口板和電池外殼的厚度相對較薄，因而整個鋰離子電池的外形具有局限性；由於對雷射能量分布有特殊要求，因而對雷射發生裝置要求較高，從而增加了鋰離子電池的製造成本；由於還需要加熱裝置對焊接部位進行加熱，所有這些使得該技術方案工藝複雜，加工條件的約朿較多，實施較為繁瑣。由於一般的電池外殼和封口板具有均勻的厚度，因而上述方法不能用於-般電池外殼和封口板的焊接。而傳統的焊接具有均勻厚度的電池外殼和封口板的方法是採用均勻一致的速度對電池外殼和封口板進行焊接，低速焊接雖然可以保證焊接質量，卻大大降低了生產率，而過高的焊接速度容易造成焊接質量下降，從而難以控制封裝質量。因此，傳統的焊接速度約為1.8毫米每秒，但是對於各種不同型號的電池來說，使用勻速的焊接速度難以兼顧生產效率與焊接質量，而取得最佳的生產效果。
發明內容本發明的目的是為了克服現有技術難以兼顧生產效率和焊接質量的缺點，提供一種既能保證焊接質量，又能保證焊接速度的封裝電池外殼和封L！板的焊接方法。本發明提供了一種封裝電池外殼和封口板的焊接方法，該方法包括焊接封口板和電池外殼的交界部位，其中，該方法包括將所述交界部位劃分為易損部位和非易損部位，在易損部位的焊接速度慢於在非易損部位的焊接速度。本發明的發明人發現，在二次電池的電池外殼與封口板的封裝中，電池外殼與封口板的交界部位中產生的焊接缺陷的概率是不同的，焊接缺陷產生的概率與封口板的電極極柱關係密切。電池外殼與封口板交界部位上距離電極極柱較近的部位產生焊接缺陷的概率達到90%以上，而其他距離電極極柱距離較遠的部位極少出現焊接缺陷。焊接缺陷的產生與焊接強度和焊接速度具有密切的關係。如果焊接強度越大，焊接速度越慢，則產生焊接缺陷的概率越低。由於強度的調控較為繁瑣，而且焊接強度的提高也會使整個加工成本上升，因而傾向於對焊接速度的調節。但在CN1479389A中，考慮到如果採用降低焊接速度的方法來減少裂紋發生的概率會降低生產效率，因而沒有通過調節焊接速度來減少焊接缺陷的發生。本發明提供的用於焊接電池外殼與封口板的焊接方法將電池外殼與封口板的交界部位分為易損部位和非易損部位，並在不同的部位使用不同的焊接速度進行焊接，即在易損部位應用較低的焊接速度，因而能降低在該易損部位產生焊接缺陷的可能性，並在保證非易損部位焊接質量的前提下加快在非易損部位的焊接速度，因而保持總的焊接生產效率不會降低。本發明提供的焊接方法著眼於宏觀方面，通過調節焊接速度來減少焊接缺陷的產生，因而具有工藝簡單且生產率較高的優點。圖1為CN1479389A公開的電池外殼與封口板封裝的示意圖；圖2為適用本發明提供的方法進行焊接的封口板與電池外殼的一種實施方式的剖面圖；圖3為圖2中電池外殼與封口板的俯視圖；圖4為適用本發明提供的方法進行焊接的封口板與電池外殼的另一種實施方式的剖面圖；圖5為圖4中封口板與電池外殼的側視圖；具體實施方式下面結合附圖詳細描述本發明提供的封裝電池外殼與封口板的焊接方法。在進行詳細描述之前，首先對易損部位和非易損部位進行說明。由於對於電池外殼與封口板之間的交界部位來說，電池外殼與封口板的交界部位上距離所述電極極柱的距離越近，產生焊接缺陷的概率越高。因此，將封口板和電池外殼的交界部位上與正極柱和負極柱距離較近從而出現焊接缺陷較多的部位稱為易損部位，將封口板和電池外殼的交界部位上除易損部位之外的剩餘部位稱為非易損部位。本發明提供了一種利用雷射封裝電池外殼和封口板的焊接方法，該方法包括焊接封口板和電池外殼開口的交界部位，所述封口板上包括電極極柱，其中，該方法包括將所述交界部位劃分為易損部位和非易損部位，在易損部位的焊接速度慢於在非易損部位的焊接速度。如圖2所示，通常情況下，電池包括電池外殼l、封口板2以及容納於電池外殼內部的電極組和電解液。電池外殼l一端為開口端，另一端為封閉端。封口板2密封在電池外殼1的開口端。封口板2上包括電極極柱3。電池外殼1的形狀決定整個鋰離子電池的外形，因而電池外殼1的形狀根據鋰離子電池的應用場合來確定。一般來說，為了具有較高的空間利用率，優選採用方形的電池外殼。電池外殼l的開口端的形狀可以是多種形狀，比如，圓形、橢圓形、多邊形等，優選為多邊形，更優選為長方形或正方形，電池外殼1的開口端也可以是拐角為圓角的四邊形。電池外殼1和封口板2的材料可以是多種金屬材料，例如，各種碳鋼、合金鋼、鋁以及各種鋁合金等。為了在保證剛度和強度足夠的情況下，儘可能地降低鋰離子電池的重量，優選採用密度較低的鋁或鋁合金材料。電池外殼1壁厚的範圍為0.2-0.25mm，封口板2厚度的範圍為0.8-1.2mm。電池外殼1與封口板2的尺寸和厚度取決於鋰離子電池的應用場合以及設計功率的參數，為鋰離子電池普通技術人員所熟知，在此不再詳細描述。在製備好電池外殼1與封口板2之後，將二者按照正確的位置關係裝配在一起，以便進行下面的焊接工序。封口板2的形狀對應於電池外殼1開口端的形狀，這樣才可以將封口板2準確安裝於電池外殼1的開口端上。一般來說，封口板2與電池外殼1的相對位置有兩種情形第一，封1U板2的尺寸對應於電池外殼1的內圍尺寸，且封口板2與電池外殼1為過盈配合，這樣封口板2裝入電池外殼1之後能緊緊將封口板2夾住，從而將封口板2保持在正確的位置，此時封口板2與電池外殼1的交界部位5位於電池外殼1的端面上，如圖2和圖3所示；第二，封口板2的尺寸對應於電池外殼l的外圍尺寸，從而封口板2蓋在電池外殼1的開口端上，此時封口板2與電池外殼1的交界部位5位於電池外殼1的側面上，如圖4和圖5所示。不管交界部位5位於電池外殼1的哪個位置，交界部位5均對應於電池外殼1幵口端的形狀。本發明所提供的焊接方法均適用於上述的情形。將電池外殼1與封口板2裝配好之後，就可以通過焊接將電池外殼1與封口板2封裝起來。下面參考圖3詳細描述如何確定電池外殼1與封口板2交界部位的易損部位。所述易損部位位於封口板與電池外殼開口的交界部位上距離所述電極極柱較近的位置。若所述電池外殼開口為多邊形，所述易損部位位於多邊形的所述交界部位上距離電極極柱較近的邊上。優選情況下，當所述電池外殼開口為長方形時，所述易損部位位於長方形的所述交界部位上距離電極極柱較近的邊上。如圖3所示，該電池外殼l的開口端為具有圓角的長方形，封口板2具有電極極柱3以及注液孔4，注液孔4用於向電池外殼1內部注入所需的電解物質。優選情況下，當所述電池外殼開口為正方形時，所述易損部位位於正方形的所述交界部位上距離電極極柱較近的邊上。如果電池外殼1的開口端為正方形，則易損部位的確定與上述電池外殼1開口端為長方形的情形類似。易損部位的位置取決於電池外殼1與封口板2交界部位相對於電極極柱3的相對關係。更優選地，所述易損部位以電極極柱所在的位置在所述交界部位距離電極極柱較近的邊上的正投影為中心，並在所述中心兩側延伸，如圖3中的AB段與CD段。所述易損部位AB段與CD段的長度與該易損部位所在邊的邊長之比為1/4-1/2。在確定了易損部位之後，下面需要確定焊接速度。按照本發明提供的焊接方法，在易損部位的焊接速度慢於在非易損部位的焊接速度。本發明著眼於通過調節焊接速度來對焊接質量進行控制，具體來說，在確定的易損部位應用較低的焊接速度，在非易損部位應用較高的焊接速度，從而""方面降低易損部位出現焊接缺陷的可能性，另一方面，使得整個焊接過程具有較高的焊接生產率。在傳統的封口板2與電池外殼1焊接過程中，傳統焊接速度為1.6-1.8mm/s。在本發明中，對於易損部位(圖3中的AB段和CD段)應用的焊接速度為小於1.8毫米每秒，比傳統的焊接速度慢，為防止因易損部位的焊接速度過低而降低焊接的生產效率，優選為0.9-1.3mm/s;對於非易損部位(圖3中的除AB段與CD段之外的部位)應用的焊接速度為大於1.8毫米每秒，比傳統的焊接速度快，為防止因非易損部位的焊接速度過快而增加在非易損部位產生焊接缺陷的可能性，優選為2.2-2.6mm/s。此外，本發明可以採用本領域公知的各種焊接方式，例如，雷射焊接、半自動氬弧焊、摩擦焊、電阻焊等。優選地，為獲得較高的生產率以及成品率，以及考慮到封口板2與電池外殼1較薄，優選採用自動化程度較高、焊接質量較好的雷射焊接方法。如果採用雷射焊接，則所述焊接速度即為在焊接時雷射束的掃描速度。在確定了焊接速度之後，下面就分別對封口板2與電池外殼1交界部位的易損部位和非易損部位按照不同的焊接速度進行焊接。最後待所述交界部位冷卻後，所述封口板與電池外殼密封在一起。焊接後，焊接部位的冷卻速度對於焊接質量也有影響。焊接後冷卻速度越慢，則熱應力對於焊接質量的影響越小。關於如何控制焊接後冷卻速度對於焊接質量的影響為焊接普通技術人員所熟知，在此不再進行詳細描述。此外，該電池所包括的其他必要組件以及製備該電池所需的其他加工步驟，為本領域普通技術人員所熟知，因而在此不再詳細描述。由於在傳統的鋰離子電池製作工序中，通過焊接將電池外殼與封口板封裝起來的焊接速度為勻速的，即整個封口板2與電池外殼1之間交界部位的焊接速度為-致的。而本發明提供的焊接方法將封口板2與電池外殼1的交界部位分為易損部位和非易損部位，並對易損部位和非易損部位應用不同的焊接速度，即在易損部位的焊接速度慢於在非易損部位的焊接速度。從而能在保證焊接的效率不變的前提下，降低在封裝封口板2與電池外殼1的過程中產生缺陷的可能性。因此當利用本發明提供的焊接方法對封口板2與電池外殼1進行封裝時，能夠大大提高封裝質量。下面通過對實施例與對比例的分析對本發明作進一步地說明。本實施例用於說明使用本發明提供的封裝封口板與鋰離子電池外殼的焊接方法。製備1000個電池外殼與封口板，該電池外殼的材料為鋁，開口端為長方形，電池外殼內腔的尺寸為長33.4mm，寬4.8mm，高50mm，電池外殼的壁厚為0.2mm,該封口板的材料為鋁，尺寸為長33.4mm，寬4.9mm，厚度為l.Omm。雷射焊機中雷射振蕩裝置為釔鋁石榴石(YAG)的發光裝置，產生雷射功率為6-8KW，脈衝周期為2ms，重複率頻率為20Hz。按照本發明提供的焊接方法進行電池外殼與封口板的焊接。確定封口板與電池外殼交界部位中易損部位的位置，該易損部位以電極極柱所在的位置在交界部位上的長邊上的正投影點為中心，並在該中心兩側延伸，所述易損部位的長度為封口板與電池外殼的交界部位上所在邊邊長的1/3，如圖3所示，易損部位為AB段以及CD段。在易損部位選取雷射束的掃描速度為vl=l.lmm/s，非易損部位的雷射朿掃描速度為v2=2.3mm/s;雷射束光點直徑為450um。按照選擇的上述技術參數進行電池外殼與封口板的焊接。冷卻後，實現封口板與電池外殼的封裝。對比例1本對比例用於說明採用正常焊接速度的現有技術中封裝封口板與鋰離子電池外殼的焊接方法。製備1000個電池外殼與封口板，該電池外殼的材料為鋁，開口端為長方形，電池外殼內腔的尺寸為長33.4mm，寬4.8mm，高50mm，電池外殼的壁厚為0.2mm，該封口板的材料為鋁，尺寸為長33.4mm，寬4.9mm，厚度為l.Omm。雷射焊機中雷射振蕩裝置為釔鋁石榴石(YAG)的發光裝置，產生雷射功率為6-8KW，脈衝周期為2ms，重複率頻率為20Hz。對封口板與電池外殼交界部位進行雷射焊接，光點直徑為450um，雷射掃描速度為vl=v2=1.8mm/S。按照選擇的上述技術參數進行封口板與電池外殼的焊接。冷卻後，實現封口板與電池外殼的封裝。對比例2本對比例用於說明採用較低焊接速度的封裝封口板與鋰離子電池外殼的焊接方法。製備1000個電池外殼與封口板，該電池外殼的材料為鋁，開口端為長方形，電池外殼內腔的尺寸為長33.4mm，寬4.8mm，高50mm，電池外殼的壁厚為0.2mm，該封口板的材料為鋁，尺寸為長33.4mm，寬4.9mm，厚度為l.Omm。雷射焊機中雷射振蕩裝置為釔鋁石榴石(YAG)的發光裝置，產生雷射功率為6-8KW，脈衝周期為2ms，重複率頻率為20Hz。對封口板與電池外殼交界部位進行雷射焊接，光點直徑為450um，雷射掃描速度為vl=v2=l.lmm/s。按照選擇的上述技術參數進行封口板與電池外殼的焊接。冷卻後，實現封口板與電池外殼的封裝。對比例3本對比例用於說明採用較快焊接速度的現有技術中封裝封口板與鋰離子電池外殼的焊接方法。製備1000個電池外殼與封口板，該電池外殼的材料為鋁，開口端為長方形，電池外殼內腔的尺寸為長33.4mm，寬4.8mm，高50mm，電池外殼的壁厚為0.2mm，該封口板的材料為鋁，尺寸為長33.4mm，寬4.9mm，厚度為l.Omm。雷射焊機中雷射振蕩裝置為釔鋁石榴石(YAG)的發光裝置，產生雷射功率為6-8KW，脈衝周期為2ms，重複率頻率為20Hz。對封口板與電池外殼交界部位進行雷射焊接，光點直徑為450um，雷射掃描速度為W=v2=2.3mm/s。按照選擇的上述技術參數進行封口板與電池外殼的焊接。冷卻後，實現封口板與電池外殼的封裝。實施例2本實例說明本發明提供的方法製備的電池外殼的密封性能。在採用上述四種不同的焊接方法焊接的IOOO支鋰離子電池中，隨機選取100支電池進行1米翻滾試驗。所謂l米翻滾試驗為在高度為1米的鋼製測試箱體內，以每分鐘跌落11次的速度繞翻滾倉的中心軸旋轉，記錄焊接部位出現缺陷時的翻滾次數，翻滾次數越高，說明越不容易出現焊接缺陷，表示焊接部位的強度越高，鋰離子電池的安全性越好。具體的操作為在1米高的測試箱體內放IO支完成焊接的電池，以ll次/分鐘的速度進行翻轉，前300次翻滾每翻滾50次檢査一下焊接部位是否出現裂縫，後300次翻滾每翻滾10次檢査一下焊接部位是否出現裂縫，總共進行600次翻滾，並同時進行數據統計。依次將採用上述四種不同方法進行焊接的100支電池樣本均進行翻滾試驗，並統計所有的測試數據，根據所得測試數據製得表1。表1為實施例1與各個比較例中焊接的鋰離子電池進行lm翻滾試驗的測試數據lm翻滾試驗中鋰離於屯池的燁接方法翻滾次數平均值翻滾次數最大值翻滾次數最小值tableseeoriginaldocumentpage13表通過對表1中的數據分析可知在對比例1、對比例2和對比例3中，均採用現有技術的焊接方法，雷射束的掃描速度越慢，則焊接部位的強度越高，其中焊接速度最慢的對比例2焊接的焊接部位強度最高，而焊接速度最快的對比例3的焊接部位強度最低。還可以發現，使用本發明焊接方法的實施例1中焊接部位的強度與使用最低掃描速度的對比例2中的焊接部位的強度兒乎等同。下面通過在對實施例1與各個對比例在焊接過程中的關於生產率的數據的比較，分析本發明提供的焊接方法在生產率方面的優勢。表2為實施例1與各個對比例中的焊接過程生產率的數據tableseeoriginaldocumentpage13表2通過對表2中的數據分析可知雷射束的掃描速度越快，生產效率越高，其中，掃描速度最快的對比例3的生產率最高，掃描速度最慢的對比例2的生產率最低。實施例1的生產率與對比例1的生產率稍高，可知使用本發明提供的焊接方法具有較高的生產率。經過對表1和表2的分析可知，在實施例1中，使用本發明提供的封裝封口板與鋰離子電池的電池外殼的焊接方法，能兼顧焊接質量與生產效率，並取得較好的生產效果。權利要求1.一種電池殼焊接方法，該方法包括焊接封口板和電池外殼開口的交界部位，所述封口板上包括電極極柱，其特徵在於，該方法包括將所述交界部位劃分為易損部位和非易損部位，在易損部位的焊接速度慢於非易損部位的焊接速度。2.根據權利要求1所述的焊接方法，其中，所述易損部位位於封口板與電池外殼開口的交界部位上距離所述電極極柱較近的位置。3.根據權利要求1所述的焊接方法，其中，所述電池外殼開口為多邊形，所述易損部位位於多邊形的所述交界部位上距離電極極柱較近的邊上。4.根據權利要求3所述的焊接方法，其中，所述電池外殼開口為長方形，所述易損部位位於長方形的所述交界部位上距離電極極柱較近的邊上。5.根據權利要求3所述的焊接方法，其中，所述電池外殼開口為正方形，所述易損部位位於正方形的所述交界部位上距離電極極柱較近的邊上。6.根據權利要求3-5所述的焊接方法，其中，所述易損部位以電極極柱所在的位置在所述交界部位距離電極極柱較近的邊上的正投影為中心，並在所述中心兩側延伸，所述易損部位的長度與該易損部位所在邊的邊長之比為1/4-1/2。7.根據權利要求1所述的焊接方法，其中，在所述易損部位的焊接速度為小於1.8毫米每秒，所述非易損部位的焊接速度為大於1.8毫米每秒。8.根據權利要求7所述的焊接方法，其中，在所述易損部位的焊接速度為0.9-1.3毫米每秒，在所述非易損部位的焊接速度的範圍為2.2-2.6毫米每秒。9.根據權利要求1所述的焊接方法，其中，所述焊接方法為雷射焊接。全文摘要本發明提供了一種封裝電池外殼和封口板的焊接方法，該方法包括焊接封口板和電池外殼的交界部位，其中，該方法包括將所述交界部位劃分為易損部位和非易損部位，在易損部位的焊接速度慢於在非易損部位焊接速度。本發明提供的焊接方法在易損部位應用較低的焊接速度，因而能降低在該易損部位產生焊接缺陷的可能性，並在保證非易損部位焊接質量的前提下加快在非易損部位的焊接速度，從而保持總的焊接生產效率不會降低。文檔編號H01M2/02GK101162765SQ200610149650公開日2008年4月16日申請日期2006年10月13日優先權日2006年10月13日發明者嚴湖泊,王曉普申請人:比亞迪股份有限公司