一种圆柱电池的焊接方法与制备方法及焊接结构

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种圆柱电池的焊接方法与制备方法及焊接结构。

背景技术

随着新能源汽车的发展，高能量密度的电池成为发展趋势。圆柱电池成组效率高，一致性好，具有广泛的应用前景。尤其是特斯拉推出4680圆柱电池，对新能源行业影响重大。

现有圆柱电池的制作工艺中先采用揉极耳的方式将极耳揉成一个平面，汇流排和揉后的极耳采用激光点焊到一起。然后负极汇流排需要和壳壁焊接，正极汇流盘需和正极柱焊接到一起，要多一道工序，且汇流盘需要弯折，浪费空间。

因此可以将正负极耳均设置在一端，且将正负极耳均集成在顶盖上，同时取消汇流排，可以节省空间。但是这样做会存在一个问题，由于极耳为铝或者铜，铝和铜两者与圆柱电池的钢壳的熔点、导热系数等物理性能差异大，因此将极耳和顶盖焊接时易形成金属间化合物，由于金属间化合物易导致焊接接头脆性断裂，因此会影响焊接性能且导致焊接难度大。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种圆柱电池的焊接方法与制备方法及焊接结构，能够防止极耳和顶盖焊接时金属间化合物的产生，从而提高焊接性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，一种圆柱电池的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、将极性相异的极耳从电芯的同一端引出，所述极耳包括正极极耳与负极极耳；

步骤二、将顶盖分为第一盖板与第二盖板，所述第一盖板与所述第二盖板分别置于所述正极极耳与所述负极极耳上方；

步骤三、将焊接件设置于所述顶盖与所述极耳之间，其中，在所述第一盖板与所述正极极耳之间设置第一焊接件，在所述第二盖板与所述负极极耳之间设置第二焊接件；

步骤四、使用激光焊接依次穿透所述顶盖、所述焊接件与所述极耳，实现所述顶盖、所述焊接件及所述极耳的熔合焊接。

具体的，在所述步骤三中，在所述第一盖板与所述正极极耳之间设置所述第一焊接件的具体方式包括：

在所述第一盖板面向所述电芯的一侧镀一层铜形成镀铜层，再在所述镀铜层上镀一层镍形成镀镍层；

或者直接在所述第一盖板面向所述电芯的一侧镀一层铜镍复合材料；

或者在所述正极极耳远离所述电芯的一侧镀一层所述镍形成所述镀镍层，再在所述镀镍层的表面镀一层所述铜形成所述镀铜层；

或者直接在所述正极极耳远离所述电芯的一侧镀一层所述铜镍复合材料。

具体的，在所述步骤三中，在所述第二盖板与所述负极极耳之间设置所述第二焊接件的具体方式包括：

直接在所述第二盖板面向所述电芯的一侧镀一层镍形成镀镍层；

或者直接在所述第二盖板面向所述电芯的一侧镀一层铜镍复合材料；

或者在所述第二盖板面向所述电芯的一侧镀一层铜形成镀铜层，再在所述镀铜层上镀一层所述镍形成所述镀镍层；

或者直接在所述负极极耳远离所述电芯的一侧镀一层所述镍形成所述镀镍层；

或者直接在所述负极极耳远离所述电芯的一侧镀一层所述铜镍复合材料；

或者在所述负极极耳远离所述电芯的一侧镀一层所述铜形成所述镀铜层，再在所述镀铜层上镀一层所述镍形成所述镀镍层。

具体的，将所述镀镍层的厚度设置为3-20μm，将所述镀铜层的厚度设置为3-20μm，将所述镀镍层+所述镀铜层的厚度设置为≤20μm。

具体的，在所述步骤三中，在所述第一盖板与对应的所述极耳之间设置所述第一焊接件的具体方式包括：在所述第一盖板与对应的正极极耳之间设置镍片和铜片，其中，将所述镍片与所述铜片依次放置于所述正极极耳表面。

具体的，在所述步骤三中，在所述第二盖板与对应的所述极耳之间设置所述第二焊接件的具体方式包括：在所述第二盖板与对应的负极极耳之间设置镍片和铜片，其中，将所述镍片与所述铜片依次放置于所述负极极耳表面；或者仅设置镍片，其中，将所述镍片放置于所述负极极耳表面。

具体的，将所述铜片和所述镍片的厚度均设置为≤0.1mm。

第二方面，一种圆柱电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、使用如第一方面任意一项所述的焊接方法将所述电芯与所述顶盖焊接；

步骤二、将密封胶圈套入已焊接的所述电芯和所述顶盖，再放入壳体，采用墩封工艺将圆柱电池密封。

第三方面，一种圆柱电池的焊接结构，包括：

电芯，所述电芯的正极极耳与负极极耳设置于同一端；

顶盖，包括第一盖板、塑胶件与第二盖板，所述第一盖板、所述塑胶件与所述第二盖板位于同一水平面，且所述塑胶件设置于所述第一盖板与所述第二盖板之间；

焊接件，包括第一焊接件与第二焊接件，所述第一焊接件设置于所述正极极耳与所述第一盖板之间，所述第二焊接件设置于所述负极极耳与所述第二盖板之间，其中，所述第一焊接件与所述第二焊接件之间形成间隙。

具体的，所述正极极耳与所述负极极耳对称设置于所述电芯的同一端，且所述正极极耳与所述负极极耳之间形成间隙；所述第一盖板与所述第二盖板关于所述塑胶件对称设置。

本发明的有益效果在于，由于圆柱电池的外壳为钢壳，而极耳的材料为铝或铜，铝和铜两者与钢的熔点及导热系数等物理性能差异大，焊接时易形成金属间化合物，因为金属间化合物易导致焊接接头脆性断裂，进而影响焊接性能，因此本申请提供了一种圆柱电池的焊接方法与制备方法及焊接结构，通过在盖板与极耳之间设置焊接件，在对盖板与极耳焊接时，激光在依次熔穿顶盖、焊接件及极耳，焊接件能够和顶盖与极耳铝形成连续固溶体，可以防止金属间化合物的产生，提升了焊接性能，实现所述顶盖、所述焊接件及所述极耳的熔合。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。

图1为本申请实施例的圆柱电池的焊接方法的流程示意图。

图2为本申请实施例的圆柱电池的立体结构示意图。

图3为本申请实施例的圆柱电池的爆炸图。

图4为本申请实施例的圆柱电池焊接结构的结构示意图之一。

图5为本申请实施例的圆柱电池焊接结构的结构示意图之二。

图6为本申请实施例的圆柱电池焊接结构的结构示意图之三。

图7为本申请实施例的圆柱电池焊接结构的结构示意图之四。

图8为本申请实施例的圆柱电池焊接结构的结构示意图之五。

图9为本申请实施例的使用激光焊接圆柱电池的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10－电芯；11－正极极耳；12－负极极耳；13－极耳；

20－顶盖；21－第一盖板；22－第二盖板；23－塑胶件；

30－焊接件；31－第一焊接件；32－第二焊接件；301－镀镍层；302－镀铜层；304－镍片；305－铜片；

40－壳体；

50－密封胶圈；

A－激光。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本申请实施例提供了一种圆柱电池的焊接方法，包括以下步骤：

S1、将极性相异的极耳从电芯的同一端引出，极耳包括正极极耳与负极极耳；

S2、将顶盖分为第一盖板与第二盖板，第一盖板与第二盖板分别置于正极极耳与负极极耳上方；

S3、将焊接件设置于顶盖与极耳之间，其中，在第一盖板与正极极耳之间设置第一焊接件，在第二盖板与负极极耳之间设置第二焊接件；

S4、使用激光焊接依次穿透顶盖、焊接件与极耳，实现顶盖、焊接件及极耳的熔合焊接。

以下结合图2至9对实施例进行详细说明。

具体的，极耳13包括正极极耳11与负极极耳12，正极极耳11与负极极耳12同时从电芯10的同一端引出，正极极耳11与负极极耳12对称设置在电芯10的端面，且正极极耳11与负极极耳12之间形成间隙。通过将正极极耳11与负极极耳12从电芯10的同一端引出，可以节省圆柱电池的内部空间，同时使正极极耳11与负极极耳12之间形成间隙能够很好的使正极极耳11与负极极耳12绝缘，防止电芯10短路。

具体的，使用塑胶件23将顶盖20分为第一盖板21与第二盖板22是因为电芯10的正极极耳11与负极极耳12设置于电芯10的同一端，且都焊接于顶盖20，为了防止圆柱电池短路，因此通过塑胶件23将顶盖20分为第一盖板21与第二盖板22，使得第一盖板21与第二盖板22绝缘，后续第一盖板21与正极极耳11焊接后带正电，第二盖板22与负极极耳12焊接后带负电。

具体的，将第一盖板21与第二盖板22分别与极性相异的极耳13置于同一轴线。在焊接时因为需要设置焊接件30且采用激光焊接，因此将第一盖板21与第二盖板22分别与异性的极耳13置于同一轴线，在焊接时，激光A能够依次穿过第一盖板21、第一焊接件31与正极极耳11，实现第一盖板21、第一焊接件31与正极极耳11的熔合，同理激光A也能依次穿过第二盖板22、第二焊接件32与负极极耳12，实现第二盖板22、第二焊接件32与负极极耳12的熔合。若是第一盖板21与正极极耳11未处于同一轴线上，在激光焊接过程中，可能会导致部分第一盖板21和/或第一焊接件31与负极极耳12发生接触，进而导致电池短路。若是第二盖板22与负极极耳12未处于同一轴线上，在激光焊接过程中，可能会导致部分第二盖板22和/或第二焊接件32与正极极耳11发生接触，进而导致电池短路。

具体的，圆柱电池包括一侧具有开口且内部中空的壳体400、电芯10和顶盖20，电芯10容置于壳体400内，顶盖20用于盖合壳体400的开口，以使电芯10安装于壳体400内。为了保证圆柱电池的电性连通，电芯10入壳前，正极极耳11与负极极耳12通过焊接方式与顶盖20连接。在将正极极耳11与负极极耳12与顶盖20进行连接时，由于圆柱电池的外壳为钢壳，而极耳13的材料为铝或铜，铝和铜两者与钢的熔点及导热系数等物理性能差异大，焊接时易形成金属间化合物，因为金属间化合物易导致焊接接头脆性断裂，进而影响焊接性能，提升焊接难度。针对上述问题，本申请提供的一种圆柱电池的焊接方法与制备方法，通过在盖板与极耳13之间设置焊接件30，在对盖板与极耳13焊接时，激光A在依次熔穿顶盖20、焊接件30及极耳13，焊接件30能够和顶盖20与极耳13铝形成连续固溶体，可以防止金属间化合物的产生，提升了焊接性能，实现顶盖20、焊接件30及极耳13的熔合。

在本申请可选的实施例中，在步骤一中，采用揉极耳13的方式分别将正极极耳11与负极极耳12分别揉成两个间隔对称的阳极端面与阴极端面，本申请实施例对阳极端面与阴极端面的具体结构形状不做具体限制，示例的，阳极端面与阴极端面可以分别设置为如图3所示的第一盖板21与第二盖板22的半圆的结构形状，通过将阳极端面与阴极端面的结构形状分别设置为与第一盖板21和第二盖板22相同的结构形状，在焊接过程中，能够使盖板与极耳13充分焊接，且提升焊接面积，进而加强焊接结构的过流能力。

如图5所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第一盖板21与对应的极耳13之间设置第一焊接件31的具体方式包括：在第一盖板21面向电芯10的一侧镀一层铜形成镀铜层302，再在镀铜层302上镀一层镍形成镀镍层301。

在激光焊接过程中，镀镍层301可以和顶盖20的铁(钢的主要成分)及正极极耳11的铝形成连续固溶体，进而避免了在焊接过程中未设置第一焊接件31时顶盖20与正极极耳11直接焊接形成Fe-Al金属间化合物，同时镀铜层302能够提高焊接接头的性能。所以通过在第一盖板21与正极极耳11焊接的一面依次镀上铜与镍能够很好地降低焊接难度。

在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第一盖板21与对应的极耳13之间设置第一焊接件31的具体方式包括：直接在第一盖板21面向电芯10的一侧镀一层铜镍复合材料。

需要说明的是，在本申请的实施例中，铜镍复合材料为铜镍合金，铜镍合金中铜的质量分数占比为30％—50％，其他为镍；或者铜镍复合材料还可以为铜镍复合片，即铜在上(厚度为3～5μm)，镍在下(厚度为3～5μm)的铜镍叠片。

通过直接在第一盖板21面向电芯10的一侧镀一层铜镍复合材料，镍可以和顶盖20的铁(钢的主要成分)及正极极耳11的铝形成连续固溶体，防止形成Fe-Al金属间化合物，同时铜的加入会提高焊接接头的性能。

如图5所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第一盖板21与对应的极耳13之间设置第一焊接件31的具体方式包括：在正极极耳11远离电芯10的一侧镀一层镍形成镀镍层301，再在镀镍层301的表面镀一层铜形成镀铜层302。

在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第一盖板21与对应的极耳13之间设置第一焊接件31的具体方式包括：直接在正极极耳11远离电芯10的一侧镀一层铜镍复合材料。

如图6所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第二盖板22与对应的极耳13之间设置第二焊接件32的具体方式包括：直接在第二盖板22面向电芯10的一侧镀一层镍形成镀镍层301。

由于负极极耳12的材料为铜，因此可以直接在第二盖板22与负极极耳12焊接的一面设置镀镍层301，镍和铁及铜均能形成连续固溶体，避免形成难熔的金属间化合物，进而减少了第二盖板22与负极极耳12的焊接难度，能够很好地将第二盖板22与负极极耳12焊接。

在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第二盖板22与对应的极耳13之间设置第二焊接件32的具体方式包括：直接在第二盖板22面向电芯10的一侧镀一层铜镍复合材料。

需要说明的是，在本申请的实施例中，铜镍复合材料为铜镍合金，铜镍合金中铜的质量分数占比为30％—50％，其他为镍；或者铜镍复合材料还可以为铜镍复合片，即铜在上(厚度为3～5μm)，镍在下(厚度为3～5μm)的铜镍叠片。

通过直接在第二盖板22面向电芯10的一侧镀一层铜镍复合材料，镍可以和顶盖20的铁(钢的主要成分)及正极极耳11的铝形成连续固溶体，防止形成Fe-Al金属间化合物，同时铜的加入会提高焊接接头的性能。

如图5所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第二盖板22与对应的极耳13之间设置第二焊接件32的具体方式包括：在第二盖板22面向电芯10的一侧镀一层铜形成镀铜层302，再在镀铜层302上镀一层镍形成镀镍层301。

如图6所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第二盖板22与对应的极耳13之间设置第二焊接件32的具体方式包括：直接在负极极耳12远离电芯10的一侧镀一层镍形成镀镍层301。

在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第二盖板22与对应的极耳13之间设置第二焊接件32的具体方式包括：直接在负极极耳12远离电芯10的一侧镀一层铜镍复合材料。

如图5所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第二盖板22与对应的极耳13之间设置第二焊接件32的具体方式包括：在负极极耳12远离电芯10的一侧镀一层铜形成镀铜层302，再在镀铜层302上镀一层镍形成镀镍层301。

在上述实施例中，将镀镍层301的厚度设置为3-20μm，将镀铜层302的厚度设置为3-20μm，将镀镍层301+镀铜层302的厚度设置为≤20μm。

将镀镍层301、镀铜层302与镀镍层301+镀铜层302的厚度限制在上述范围内，能够很好地将保证焊接效果。若镀镍层301、镀铜层302与镀镍层301+镀铜层302的厚度小于上述范围，则无法保证有足够的镍与铁及铝生成连续固溶体，进而无法完全避免金属间化合物的产生；若镀镍层301、镀铜层302与镀镍层301+镀铜层302的厚度大于上述范围，则会加大镀层的难度，因为厚度增加，镀层的难度也会增加，同时由于本申请的焊接需要激光A依次穿透顶盖20、焊接件30与极耳13，因此镀层的厚度增加，也会导致焊接穿透难度增加。所以本申请的实施例需要将镀镍层301、镀铜层302与镀镍层301+镀铜层302的厚度设置为上述范围。

如图7所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第一盖板21与对应的极耳13之间设置第一焊接件31的具体方式包括：在第一盖板21与对应的正极极耳11之间设置镍片304和铜片305，其中，将镍片304与铜片305依次放置于正极极耳11表面。

具体的，将镍片304与铜片305依次叠放在正极极耳11表面，第一盖板21对应设置在正极极耳11的上方，在焊接过程中，激光A依次穿过第一盖板21、镍片304、铜片305与正极极耳11，使得镍可以和铜形成连续固溶体，镍可以和铁(钢的主要成分)及铝形成连续固溶体，防止Fe-Al金属间化合物的形成。

如图7所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第二盖板22与对应的极耳13之间设置第二焊接件32的具体方式包括：在第二盖板22与对应的负极极耳12之间设置镍片304和铜片305，具体为将镍片304与铜片305依次放置于负极极耳12表面。

具体的，将镍片304与铜片305依次叠放在负极极耳12表面，第二盖板22对应设置在负极极耳12的上方，在焊接过程中，激光A依次穿过第二盖板22、镍片304、铜片305与负极极耳12，使得镍可以和铜形成连续固溶体，镍可以和铁(钢的主要成分)及铝形成连续固溶体，防止Fe-Al金属间化合物的形成。

如图8所示，在本申请可选的实施例中，在步骤三中，在第二盖板22与对应的极耳13之间设置第二焊接件32的具体方式包括：仅设置镍片304，具体为将镍片304放置于负极极耳12表面。

具体的，将镍片304叠放在负极极耳12表面，第二盖板22对应设置在负极极耳12的上方，在焊接过程中，激光A依次穿过第二盖板22、镍片304与负极极耳12，使得镍可以和铜及铁(钢的主要成分)形成连续固溶体，防止Fe-Al金属间化合物的形成。

在上述实施例中，将铜片305和镍片304的厚度均设置为≤0.1mm。通过将铜片305与镍片304的厚度为上述范围保证铜片305和镍片304能够与铝和铁完全形成连续固溶体，同时避免铜片305与镍片304太厚，导致激光焊接时激光A穿透铜片305与镍片304的难度增加。

本申请的实施例还公开了一种圆柱电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、使用前述实施例的焊接方法将电芯10与顶盖20焊接；

步骤二、将密封胶圈50套入已焊接的电芯10和顶盖20，再放入壳体400，采用墩封工艺将圆柱电池密封。

通过使用上述实施例的焊接方法将电芯10与顶盖20进行焊接能够降低焊接难度，同时使电芯10与顶盖20能够提高电芯10与顶盖20之间的焊接质量，使得由该焊接方法制得的圆柱电池拥有更好的良率。

如图2、图3、图4所示，本申请的实施例还公开了一种圆柱电池的焊接结构，包括：

电芯10，电芯10的正极极耳11与负极极耳12设置于同一端；

顶盖20，包括第一盖板21、塑胶件23与第二盖板22，第一盖板21、塑胶件23与第二盖板22位于同一水平面，且塑胶件23设置于第一盖板21与第二盖板22之间；

焊接件30，包括第一焊接件31与第二焊接件32，第一焊接件31设置于正极极耳11与第一盖板21之间，第二焊接件32设置于负极极耳12与第二盖板22之间，其中，第一焊接件31与第二焊接件32之间形成间隙。

具体的，因为电芯10的正极极耳11与负极极耳12设置于同一端，所以盖板包括位于同一水平面的第一盖板21与第二盖板22。且由于第一盖板21与正极极耳11电连接，第二盖板22与负极极耳12电连接，因此第一盖板21与第二盖板22之间水平设置塑胶件23能够使第一盖板21与第二盖板22绝缘。

由于盖板与极耳13的材料不同，且材料之间的熔点与导热系数等物理性能差异大，导致焊接难度较大且焊接质量低。所以通过在第一盖板21与正极极耳11之间设置第一焊接件31，第一焊接件31能够与第一盖板21及正极极耳11形成连续固溶体，降低第一盖板21与正极极耳11之间的焊接难度，同时提升第一盖板21与正极极耳11之间的焊接质量；在第二盖板22与负极极耳12之间设置第二焊接件32，第二焊接件32能够与第二盖板22及负极极耳12形成连续固溶体，降低第二盖板22与负极极耳12之间的焊接难度，同时提升第二盖板22与负极极耳12之间的焊接质量；

具体的，正极极耳11与负极极耳12对称设置于电芯10的同一端，且正极极耳11与负极极耳12之间形成间隙；第一盖板21与第二盖板22关于塑胶件23对称设置。为了保证正极极耳11与负极极耳12不会接触短路，因此在正极极耳11与负极极耳12之间设置间隙，同时，由于第一盖板21与第二盖板22需要分别与正极极耳11和负极极耳12激光焊接，因此将第一盖板21与第二盖板22同样进行对称设置。

需要说明的是，上述焊接所采用的方式为激光焊接，激光焊接包括连续激光焊与脉冲激光焊。

采用连续激光焊的参数范围如下：

焊接功率：2000～6000w；

焊接速度：50-150mm/s

离焦量：-2～+3mm；

保护气流量：10～30L/min。

采用脉冲激光焊的参数范围如下：

焊接峰值功率：3000～9000w；

离焦量：-2～+3mm；

保护气流量：10～30L/min。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。