电池用导电连接片及其制备方法
阅读：474发布：2024-02-17
专利汇可以提供电池用导电连接片及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及 电池 用导电连接片及其制备方法，该导电连接片为层状复 合金 属材质的导电连接片，导电连接片上 电阻 点焊 区域的背面成形有凹部，所述层状复合金属包括 铜 层和复合于铜层第一面的第一耐蚀易焊金属层，电阻点焊区域的 正面 位于第一耐蚀易焊金属层。该制备方法包括以下步骤：S1、制备铜 基层 状复合金属带材；S2、对铜基层状复合金属带材进行选择性蚀刻，成形所述凹部；S3、对蚀刻后的铜基层状复合金属带材 冲压 定型，制得导电连接片。该导电连接片不但易于 焊接 ， 导电性 好，能满足高倍率及动 力 电池等大容量应用场合，而且生产效率高，成本低。，下面是电池用导电连接片及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种电池用导电连接片，其特征在于：所述导电连接片为层状复合金属材质的导电连接片，通过局部蚀刻及冲压定型在该导电连接片上电阻点焊区域(5)的背面设置有凹部(3)，所述层状复合金属包括铜层(1)和复合于铜层第一面的第一耐蚀易焊金属层(2)，电阻点焊区域(5)的正面位于第一耐蚀易焊金属层；所述第一耐蚀易焊金属为镍或不锈钢，所述第一耐蚀易焊金属为不锈钢时该导电连接片的电阻点焊区域(5)至少由不锈钢层与铜层构成，所述第一耐蚀易焊金属为镍时该导电连接片的电阻点焊区域(5)仅保留有镍层且其厚度小于蚀刻前的层状复合金属的镍层厚度，所述层状复合金属中第一耐蚀易焊金属层与铜层之间的整个结合面具有牢固的物理冶金键合特征。
2.根据权利要求1所述的电池用导电连接片，其特征在于：在非电阻点焊区域(6)，铜层的厚度占总厚度的70％～95％。
3.根据权利要求1所述的电池用导电连接片，其特征在于：当所述第一耐蚀易焊金属为不锈钢时，在电阻点焊区域(5)，铜层与第一耐蚀易焊金属层的厚度比例不大于1：1。
4.根据权利要求1所述的电池用导电连接片，其特征在于：所述铜层的第二面设置有第二耐蚀易焊金属层；和/或电阻点焊区域设置有助焊缝(4)。
5.根据权利要求4所述的电池用导电连接片，其特征在于：第二耐蚀易焊金属层与铜层的复合为物理冶金键合。
6.权利要求1-5中任意一项电池用导电连接片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、制备铜基层状复合金属带材；
S2、对铜基层状复合金属带材进行选择性蚀刻，成形所述凹部；
S3、对蚀刻后的铜基层状复合金属带材冲压定型，制得导电连接片，冲压区域包括所述凹部。
7.根据权利要求6所述的电池用导电连接片的制备方法，其特征在于：采用轧制复合、喷射沉积和热喷涂三种工艺中的一种制备所述铜基层状复合金属带材。
8.根据权利要求6所述的电池用导电连接片的制备方法，其特征在于：所述第二耐蚀易焊金属层采用轧制复合工艺或镀覆工艺设置于所述铜层的第二面。
电池用导电连接片及其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 当今社会对新能源的高度关注和重视，使得电池特别是二次电池应用获得空前的发展机遇，其中高倍率及动力电池的应用和发展尤其得到关注和重视。以电动车、电动工具为代表的众多产品均会使用到由多个电池串并联而组成的组合电池包，各电池间的连接片目前大多为片状金属。以目前电动车用圆柱电池组为例，一般为上百个18650单体电池通过较大面积的导电连接片进行并联组合连接构成单组电池，然后多个单组电池再进行串联。然而随着动力电池成为锂电的主要发展趋势及其对电池安全的迫切性要求，传统组合电池导电连接片如纯镍难以满足应用需要，急需设计新型导电连接片材料。
[0003] 目前传统组合电池连接片所出现的问题主要在于点焊性与导电性难以兼顾：金属的导电性与导热性均呈正比关系，即导电性非常好的金属如铜与钢壳电池在点焊时由于其本身导热能力很高，焊接过程所产生的能量难以聚集形成焊核。而如以纯镍作为导电连接片，则由于其导电性不太佳，直接影响到电池内部的温升以及整体电池散热能力，而如采用加大镍截面尺寸来提高导电性能则不但因增加成本太高并不现实，而且加厚至0.3mm以上的镍实践证明很难焊接，无法满足高倍率及动力电池等大容量应用场合。
[0004] 针对上述单一金属作为导电连接片所出现的问题，国内外目前大多采用铜片为主要基体，同时将容易(与钢壳)焊接的金属材料片焊至铜基体构成组合导电连接片，最后再将连接片上的易(与钢壳)焊接金属片分别与多个电池钢壳连接。例如申请号201320014375.4的中国实用新型专利公开了一种组合电池连接片的方案，其步骤是先将导电性好但(与钢壳)焊接性不好的材料如纯铜片与导电性较差但(与钢壳)焊接性较好的材料的金属片分别冲压成型，然后将成型后的纯铜片与易焊金属片进行套焊(注：可用激光焊、超声焊等)连接，最后再将已焊在基体上易焊金属片与电池钢壳点焊连接。生产实践过程已证明，这样的制备过程不但有两个分别针对铜和易焊金属的冲压工序及每个电池至少两次焊接工序，导致生产效率低且成本高，而且铜与易焊金属间的连接实质为点接触，这种铜与易焊金属片间较大的接触电阻对电池系统内阻的增加不可忽视。
[0005] 另外目前国内外也提出了数种采用复合金属的解决方案，但同样都存在一些应用限制性。例如申请号为200920133019.8的中国实用新型专利公开了一种用侧面金属制备的导电连接片可替代纯镍片，但该种结构由其制备方法决定了异质金属间的侧面复合只能是单向性(非双向性)，这使得其无法在复杂组合电池结构得到应用：该连接片长度和宽度方向的电阻存在相当大的差异。又如，一种替代纯镍的层状复合金属结构的导电连接片，它是由铁素体不锈钢和铜组成，该复合金属可以是两层或三层面复合结构，还可以是由镶嵌复合与面复合的组合结构。无论是何种结构，实践证明上述这种金属片其导电性还是不足以满足较大功率动力电池组合焊接要求，因为如果太低内阻(电阻率小于3.0μΩ·cm)时该材料要焊接至钢壳必须对金属片进行开叉的同时还需打凸点，另外还要昂贵的特殊大功率储能焊机，否则无法焊上，而这样均会明显增加生产成本和设备成本且并不利于焊接的稳定性。
发明内容
[0007] 本发明的技术方案为：
[0008] 一种电池用导电连接片，该导电连接片为层状复合金属材质的导电连接片，导电连接片上电阻点焊区域的背面成形有凹部，所述层状复合金属包括铜层和复合于铜层第一面的第一耐蚀易焊金属层，电阻点焊区域的正面(即与电池接触实现焊接的表面)位于第一耐蚀易焊金属层。
[0009] 在上述的电池用导电连接片中，优选地，在非电阻点焊区域，铜层的厚度占总厚度的70％～95％。
[0010] 在上述的电池用导电连接片中，优选地，在电阻点焊区域，铜层与第一耐蚀易焊金属层的厚度比例不大于1：1。
[0011] 在上述的电池用导电连接片中，优选地，在电阻点焊区域，仅包括第一耐蚀易焊金属层，且电阻点焊区域的第一耐蚀易焊金属层的厚度小于或等于非电阻点焊区域的第一耐蚀易焊金属层的厚度。
[0012] 在上述的电池用导电连接片中，优选地，所述铜层的第二面设置有第二耐蚀易焊金属层。
[0013] 在上述的电池用导电连接片中，优选地，电阻点焊区域设置有助焊缝，以进一步提升导电连接片的焊接性能。
[0014] 在上述的电池用导电连接片中，优选地，所述耐蚀易焊金属为镍或不锈钢。
[0016] 上述电池用导电连接片的一种制备方法包括以下步骤：
[0017] S1、制备铜基层状复合金属带材；
[0018] S2、对铜基层状复合金属带材进行选择性蚀刻，成形所述凹部；
[0019] S3、对蚀刻后的铜基层状复合金属带材冲压定型，制得导电连接片。
[0021] 根据本发明，在一些方案中，所述第二耐蚀易焊金属层采用轧制复合工艺设置于所述铜层的第二面，该轧制复合具体是在上述蚀刻步骤前进行；而在另一些方案中，所述第二耐蚀易焊金属层采用镀覆工艺设置于所述铜层的第二面，该镀覆具体是在上述蚀刻步骤后进行。
[0022] 我们已知，纯铜是除贵金属银之外导电性最佳的金属材料，但纯铜与钢壳之间几乎无法进行点焊；电池连接用金属材料中又以选择纯镍、不锈钢为主，这两种材料不但耐蚀性好，而且它们与钢壳之间均可获得较可靠的电阻点焊效果，其中电阻率是镍8～10倍的不锈钢焊接性更好；金属的导电性与点焊性较难以兼顾。综合这些理论与实践已证实的结果，本发明巧妙地提出全新结构的导电连接片及其制备方法，可以从根本上解决现有其它技术方案的缺陷。其主要设计原理如下：
[0023] 1)非电阻点焊区域位置无需考虑其点焊性，可以在保证其具有一定耐蚀性前提下(即在表面覆盖有耐蚀层)尽可能提高其导电性(即提高铜层厚度的比例)。根据层状复合金属电阻率 (其中ρ为电阻率，t为各层材料的厚度比例， )，当耐蚀易焊金属层为镍(电阻率为8～9μΩ·cm)或不锈钢(电阻率为50～80μΩ·cm)，铜层的厚度比例占70％以上时，该部分材料的整体电阻率≤2.5μΩ·cm，即非常接近纯铜的导电性；而当铜层的厚度比例超过95％时，余下的耐蚀易焊金属层则太薄(在一般导电连接片总厚不超过
1mm，即该耐蚀易焊金属层厚度≤0.05mm)，此时太薄的耐蚀易焊金属层并不利于保证点焊效果或者需要蚀刻过大的铜层深度造成生产效率低下。因此，在非电阻点焊区域，铜层所占比例在70％～95％范围内较佳；
1mm，即该耐蚀易焊金属层厚度≤0.05mm)，此时太薄的耐蚀易焊金属层并不利于保证点焊效果或者需要蚀刻过大的铜层深度造成生产效率低下。因此，在非电阻点焊区域，铜层所占比例在70％～95％范围内较佳；
[0024] 2)电阻点焊区域的金属部则需要重点考虑该区域导电连接片与钢壳电池的点焊性能，因此该区域的金属部可适当降低其导电性，尽可能提高其焊接可靠性。本发明则巧妙地在该区域的金属部通过蚀刻、冲槽方式，实现点焊性能提升：整块所制得的复合金属板带在其各待点焊区域选择性蚀刻去相当部分原有的铜层甚至深至耐蚀易焊金属层，可使得蚀刻后的电阻点焊区域具有较多甚至全部为耐蚀易焊金属层，根据耐蚀易焊金属层占蚀刻后厚度的比例增加则该局部金属导电性下降的原理，电阻点焊区域在该蚀刻完成后其点焊性更好；
[0025] 3)由于该制备方法是在复合金属板带上的局部蚀刻，即各电阻点焊区域的金属部与其相邻非电阻点焊区域的金属部均为一体化整体结构组成(仅仅是局部位置截面厚度发生了改变)，而这种整体结构的设计完全颠覆了现有技术方案中组合导电连接片需在纯铜基体与各易焊金属片之间靠单独焊接的连接方式，不但完全省去了后者大量的焊接工作量，而且整体结构特别是铜基体与至少一面耐蚀易焊金属层之间为物理冶金键合的特点使得该导电连接片的整体散热性显著提高(即温升降低)，而并不会产生局部接触电阻增大过热现象。
[0027] 图1是实施例1电池用导电连接片的结构示意图；
[0028] 图2为其一个电阻点焊区域处的剖视图；
[0029] 图3为其制备过程示意图。
具体实施方式
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。理当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限制本发明。
[0031] 实施例1：
[0032] 图1示意性地表示了实施例1电池用导电连接片的结构，本电池用导电连接片是一种可连接4*4个18650电池的导电连接片，整体厚度为0.3mm。图2中示意性地表示了该导电连接片的断面结构。图中，1为铜层，2为第一耐蚀易焊金属层，3为凹部，4为十字形助焊缝，5为电阻点焊区域，6为非电阻点焊区域，7为极耳上的圆孔。
[0033] 参见图1和图2，本导电连接片为层状复合金属材质的导电连接片，所述层状复合金属包括铜层1和复合于铜层1第一面的第一耐蚀易焊金属层2。导电连接片上用于焊接电池的区域称为电阻点焊区域，其它区域称为非电阻点焊区域，本导电连接片具有4*4个电阻点焊区域，电阻点焊区域的正面位于第一耐蚀易焊金属层2，电阻点焊区域5的背面成形有凹部3。其中，耐蚀易焊金属采用不锈钢，换言之，第一耐蚀易焊金属层2为不锈钢层。
[0034] 为了进一步提高焊接性能，在电阻点焊区域5进一步设置了助焊缝4。
[0035] 在实施例1中，构成导电连接片的层状复合金属是一种铜带单面复合不锈钢的铜基层状复合金属。
[0036] 参照图1－3，本导电连接片的一种具体制备过程如下：
[0037] S1、制备铜基层状复合金属带材。具体地说，将0.6mm(厚)*110mm(宽)的SUS430不锈钢带(即Cr17)，与4mm(厚)*110mm(宽)纯铜带(即C1100紫铜)进行叠层式固相轧制复合，轧制复合变形率为65％，复合后得到1.6mm(厚)*110mm(宽)的430不锈钢/铜复合金属带；然后对复合后的带材进行3次软化扩散退火(注：退火过程采用连续退火工艺，通氨分解气还原气氛，退火温度为900℃，退火速度按退火时厚度从厚到薄的次序依次加快，速度在2米/分～5米/分不等)及中间过程轧制，最终得到0.3mm厚的不锈钢/铜复合金属带材(见图3中最上面的子图)，其中铜层1约0.21mm厚，第一耐蚀易焊金属层2(SUS430不锈钢层)厚度则约为0.09mm。
[0038] S2、对铜基层状复合金属带材进行选择性蚀刻，成形所述凹部3。具体地说，将该复合金属带材进行成卷连续选择性区域蚀刻，即在带材上与电池对应的电阻点焊区域3蚀刻掉一定深度(约0.185mm厚)的铜层，蚀刻后的区域(凹部3)呈圆坑状，而在带材非电阻点焊区域进行保护(不蚀刻)。按照与铜带材化学蚀刻类似的工艺过程(包括表面清洗、涂布感光油墨、热风预烘干、曝光、显影、补充固化、干燥、蚀刻、脱墨等步骤)对该复合金属材料进行蚀刻，蚀刻速度为0.04mm/分钟，蚀刻液用FeCl3，蚀刻液工作温度约为45℃。蚀刻后如图3中中间的子图。
[0039] S3、对蚀刻后的复合金属带材冲压定型，制得导电连接片(见图3中最下面的子图)。导电连接片极耳位置的圆孔7及各个电阻点焊区域的十字形助焊缝4可一次冲成，助焊缝4宽1mm，长10mm。
[0040] 由上述步骤S1可见，第一耐蚀易焊金属层与铜层的复合为物理冶金键合。物理冶金键合的特点使得该导电连接片的整体散热性显著提高，在应用中而不会产生局部接触电阻增大过热现象。
[0041] 由上可知，在非电阻点焊区域6，铜层的厚度为0.21mm，不锈钢层(第一耐蚀易焊金属层)的厚度为0.09mm，总厚度为0.3mm。在电阻点焊区域5，铜层的厚度为0.025mm，不锈钢层(第一耐蚀易焊金属层)的厚度为0.09mm。通过计算可得，在非电阻点焊区域6，铜层的厚度占总厚度的70％，在电阻点焊区域5，铜层与第一耐蚀易焊金属层的厚度比例为0.025：0.09。
[0042] 上述制备出的导电连接片经全面测试，其与18650钢壳电池焊接强度达到10Kgf以上，而且满足电流容量为120A的电池温升要求。
[0043] 实施例2：
[0044] 本电池用导电连接片是一种可连接4*4个18650电池的导电连接片，整体厚度为0.5mm。
[0045] 其形状与实施例1的导电连接片相同，但材质(即构成导电连接片的层状复合金属的组成及构造)不同。
[0046] 在实施例2中，构成导电连接片的层状复合金属包括铜层和复合于铜层第一面的第一耐蚀易焊金属层，该第一耐蚀易焊金属层为镍层。
[0047] 制备该导电连接片的具体过程与实施例1基本类似，包括以下步骤：
[0048] S1、制备铜基层状复合金属带材。将0.8mm(厚)*110mm(宽)的N6纯镍带与4.0mm(厚)*110mm(宽)纯铜带(即C1100紫铜)进行叠层式固相轧制复合，轧制复合变形率为60％，复合后得到1.905mm(厚)*110mm(宽)的铜-镍面复合金属带；然后对复合后的带材进行3次软化扩散退火(注：退火过程采用连续退火工艺，通氨分解气还原气氛，退火温度为800℃,退火速度按退火时厚度从厚到薄的次序依次加快，速度在1.5米/分～3.5米/分不等)及中间过程轧制，最终得到0.5mm厚的铜-镍复合金属带材，其中铜层厚度约0.375mm，镍层厚度约为0.125mm。
[0049] S2、与实施例1的步骤S2基本类似，区别有两点：1)包括两个工位选择性蚀刻，先是在对应电阻点焊区域穿透式蚀刻出十字形助焊缝，然后以十字形助焊缝为中心在其周边区域减薄蚀刻成形所述凹部；2)加大了减薄蚀刻的深度：除了蚀刻掉原有全部厚度(即0.375mm)的铜层外，还蚀刻掉一定厚度(约0.025mm)的镍层(注：蚀刻速度为0.035mm/分钟,蚀刻液工作温度约为50℃)，而其它未被蚀刻的区域金属部仍然保持原有的0.5mm厚。
[0050] S3、与实施例1的步骤S3相同，但因步骤S2中已蚀刻成形了十字形助焊缝，故无需冲压制备十字形助焊缝。
[0051] 实施例2的导电连接片，在非电阻点焊区域，铜层的厚度为0.375mm，镍层(第一耐蚀易焊金属层)的厚度为0.125mm，总厚度为0.5mm。在电阻点焊区域仅包括0.1mm厚的镍层(第一耐蚀易焊金属层)。通过计算可得，在非电阻点焊区域，铜层的厚度占总厚度的75％，电阻点焊区域的第一耐蚀易焊金属层的厚度小于非电阻点焊区域的第一耐蚀易焊金属层的厚度。
[0052] 实施例2所制备出的导电连接片经全面测试，其与18650钢壳电池焊接强度达到12Kgf以上，而且满足电流容量为150A的电池温升要求。
[0053] 实施例3：
[0054] 本电池用导电连接片是一种可连接4*4个18650电池的导电连接片，整体厚度约为0.5mm。其形状与实施例2的导电连接片相同，只是材质(即构成导电连接片的层状复合金属的组成及构造)不同。
[0055] 在实施例3中，构成导电连接片的层状复合金属不但包括铜层和复合于铜层第一面的第一耐蚀易焊金属层，而且在铜层的第二面复合有第二耐蚀易焊金属层。第一耐蚀易焊金属层和第二耐蚀易焊金属层为镍层。
[0056] 其一种制备方法与实施例2中的方法基本相同。具体而言，除了包括实施例2的步骤S1-S3外，还包括在冲压后在铜层的第二面复合3μm镍层(第二耐蚀易焊金属层)。
[0057] 通过增加上述第二耐蚀易焊金属层，能够提高电池的抗腐蚀变色能力。
[0058] 实施例3制备的导电连接片的点焊性能与实施例2相同，同样达到满足电流容量150A的电池温升要求。而抗腐蚀变色能力优于实施例1和实施例2。
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