專利名稱：Li離子電池連接的低壓電子束焊接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在多個鋰離子電池單元之間形成低電阻電互連以形成電池，特別地適用于推進電動或混合動力車輛的電池的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
電壓高達400伏或更高的高電壓電池當(dāng)完全充電時用于混合動力或電動車輛中的車載儲能器。這些電池為多個電池單元的組件，其在現(xiàn)行實踐中常常采用Li離子(鋰離子)化學(xué)性質(zhì)。單獨產(chǎn)生約4伏電壓的這些電池單元至少串聯(lián)以產(chǎn)生所需電壓和可任選地并聯(lián)以產(chǎn)生所需的蓄能容量。每個電池單元間連接應(yīng)具有最低可能的電阻以最小化電池的總內(nèi)電阻且提高其性能。最常見的超聲焊接為優(yōu)選的接合工藝，其為進行固態(tài)焊接而不熔化工件·的工藝。電池通過循序添加多個較小實體而逐步組裝和構(gòu)建且需要電互連。起點為通過在薄箔金屬集流器上鋪設(shè)適當(dāng)材料來制造陽極和陰極，薄箔金屬集流器的厚度范圍為約10微米至20微米厚。陽極材料常常為石墨基且鋪設(shè)到銅集流器上。陰極可為鋰錳氧化物(LiMn2O4)或其它含錳化合物，如鎳錳鈷氧化物L(fēng)i (NixMnyCoz) O2或鋰鋁錳氧化物(LixAlyMrvyO2)且鋪設(shè)于鋁陰極上。通常，集流器比電極更大，使得金屬箔集流器的一部分延伸超過電極區(qū)域。通過將間隔開的一系列陽極和陰極以呈面對關(guān)系與插置的電解質(zhì)浸泡的分隔件堆疊在一起并將它們密封在軟面容器內(nèi)來形成袋式電池單元。然后所有的陽極集流器可聚集在一起且成組地附連到陽極極耳，陽極極耳可為約200微米厚。同樣，所有陰極集流器可聚集在一起且連接到陰極極耳，陰極極耳同樣為約200微米厚。通常，陰極極耳為鋁以與陰極箔兼容，但陽極極耳可為銅或鎳或鍍鎳銅。因此，袋式電池單元可包含多個并聯(lián)的Li離子電池單元。通常，三個袋式電池單元通過將其陰極極耳或陽極極耳焊接在一起而并聯(lián)，常常焊接到匯流排或類似載流連接器。通過串聯(lián)這些三袋式電池單元組，可產(chǎn)生模塊，而這些模塊又可組裝為電池組。每個電池單元的極耳為薄片，約200微米厚，其可具有高達約45毫米的寬度。在制造袋時，大量的，通常高達約20且有時超過60個的集流器箔焊接到彼此且焊接到極耳上。在現(xiàn)行實踐中，在袋焊接操作期間，包括集流器鉬和極耳的工件堆疊被夾持在超聲焊接機的相對面之間。工具面然后被超聲激發(fā)，引起集流器箔以高頻率，通常約20至40 kHz相對于彼此前后滑動。此高頻滑動生成熱和碎片且在工件之間分散氧化物和表面膜以暴露新鮮的金屬表面且能在不熔化材料的情況下進行冶金結(jié)合。當(dāng)并聯(lián)這些袋時可遵循類似過程。在此情況下，極耳為約200微米厚且匯流排可為約500至1000微米厚，得到略微更厚的工件堆疊。超聲焊接工具面在平面圖中可為正方形或矩形且可具有紋理或滾花。典型工具尺寸和因此焊接尺寸可在一側(cè)為約4-10毫米，且10毫米寬乘4毫米高的工具為常用的。若干這樣的焊接為常用的，大體上等距間隔開且在箔寬度上端對端布置。在使用中，這些箔和焊接經(jīng)受明顯荷載，機械荷載和熱荷載。在這些荷載下，焊接補口中的一個或多個，或者緊鄰焊接補口的區(qū)可形成裂縫和/或裂紋，降低電池能力且久而久之，促進了電池損壞。因此，需要額外的焊接和結(jié)合過程用于電池單元互連，箔到極耳以及極耳到匯流排的互連，以產(chǎn)生更低電阻互連和更強的接頭。這樣的焊接和接合過程對于在高電壓車輛推進電池中廣泛采用的鋰離子電池單元而言特別重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了在適合于給混合或電動車輛供電的高壓電池中提供牢固低電阻電子束熔焊連接，其在使用期間不易于出現(xiàn)焊縫開裂或斷裂。可在多個10-20微米厚的電池單元集流器與大約200微米厚的連接器極耳之間形成所述焊接。也可在多個這樣的200微米厚的極耳與500-1000微米厚的匯流排之間形成所述焊接。這樣的熔焊連接可在接頭區(qū)域中形成，接頭區(qū)域可延伸連接器的整個寬度，而在焊接工具與工件之間并無任何物理接觸。連接器的熔化和混合接合在接頭區(qū)中的所有材料，使得焊接區(qū)大體上等于接頭區(qū)，·有利于增加強度且減小電阻。由于在電元件之間的溫度失配可產(chǎn)生熱負荷，該熱負荷可使得電連接的品質(zhì)顯著降級。由于兩種原因可造成這種溫度失配。首先為單獨元件之間的厚度差異，這會影響到其內(nèi)在電阻，和因此其發(fā)熱和散熱行為。第二個原因為增加的發(fā)熱，其可由于在單獨電路元件之間較高電阻的接頭造成。顯著較大的應(yīng)力可促進工件層斷裂和開裂且最終可導(dǎo)致極耳與集流器箔的一個或多個完全斷開連接和/或一個或多個極耳與匯流排組件斷開連接。這樣的斷裂和斷開連接可導(dǎo)致至少減弱的電池能力且如果該過程繼續(xù)可造成電池損壞。熔焊可潛在地有利于更強，更低電阻的焊接，但薄工件，10微米至20微米的集流器和200微米的極耳使得可靠地獲得合適熔焊較為困難。但特別適于解決可重現(xiàn)地焊接這樣的薄工件的困難的工藝為非真空電子束熔焊。非真空電子束焊接采用電子束，電子束將穿透工件到微米范圍的深度，之后由工件吸收且在工件內(nèi)部生成熱。這樣的系統(tǒng)可遞送2kW與4kW之間的功率且采用高達150 kV的加速電壓和高達50 mA的束電流，但能有高達1000mA束電流的高功率系統(tǒng)也是可利用的?？稍诖髿鈮毫蚪咏髿鈮毫ο?約760托或約lOOPa，實現(xiàn)電子束焊接。該氣氛可為基本上無氧的氬-氦混合物，其可與電子束相互作用且使之變得散焦，使電子束在工件的較寬區(qū)域上擴散。氬-氦氣氛的散焦作用可有效地最小化對于使電子束轉(zhuǎn)向以實現(xiàn)寬覆蓋焊接的需要。集流器箔和極耳一起形成工件且可夾持在兩個薄片狀夾具之間，且集流器箔向電子束直接暴露，兩個薄片狀夾具之一配備限定焊接區(qū)的窗口。工件應(yīng)定位于電子束源下方。電子束將輻照箔和極耳的暴露窗口區(qū)。最初，入射電子將由最上方的箔吸收，加熱并熔化該箔。有利地，金屬和合金對電子的吸收基本上不受其為固體或液體影響。因此，在電子束繼續(xù)由熔池吸收時，在重力的作用下，液體池向下流動，將填充在箔層之間的任何間隙。熱將通過傳導(dǎo)順著工件堆疊向下傳播，使焊池膨脹且順著工件堆疊逐漸向下傳播直到箔和極耳形成單個均一焊池。這是優(yōu)選的，因為這是熔焊工藝，將工件水平定向來執(zhí)行該工藝以最小化液體從焊接區(qū)的流動且確保熔合在一起的焊接區(qū)域具有大體上均勻厚度。通過使夾具在固定電子束下橫穿或者通過使得電子束在固定夾具上轉(zhuǎn)向或者這些動作的任何組合，電子束可橫穿夾具中的整個帶窗口的區(qū)域且在任何所需區(qū)域上熔合箔和極耳。雖然焊接區(qū)的形狀和范圍可由夾具開口限定，但并不預(yù)期夾具起到用于允許或拒絕電子束接近工件的作用。沖擊到工件上的電子束的范圍應(yīng)總是小于夾具開口尺寸使得在夾具與電子束之間并不發(fā)生直接相互作用?？芍饕ㄟ^控制電子束的大小和形狀來控制焊池尺寸。如果所需焊接區(qū)超過電子束尺寸，可使用偏轉(zhuǎn)線圈來掃描或橫穿該束，或者樣本可位于可移動的臺上且在固定電子束下橫穿。.因此，可得到任何所需的焊接形狀，且可易于調(diào)整焊接性質(zhì)，在某種程度上它們?nèi)Q于焊接形狀。選擇用于夾具的材料優(yōu)選地應(yīng)不與熔融金屬起反應(yīng)且不應(yīng)被熔融金屬濕潤。還需要夾具的表面為平滑的或甚至被拋光，使得在焊接與夾具之間并不因液態(tài)金屬滲透表面腔和隨后腔與凝固金屬機械接合而發(fā)生機械相互作用。候選的夾具材料可包括鋼、硬質(zhì)合 金、石墨、鑰、鎳和鎳基合金、氧化鋁、Al2O3、氧化鋯ZrO2等。 夾具預(yù)期起到散熱器的作用且至少從焊池提取熔合潛熱來有利于快速處理。如果氣氛中的對流冷卻不足以維持夾具中的合適低溫，其可被主動冷卻，例如通過傳遞流動冷卻劑。本發(fā)明提供下列技術(shù)方案。技術(shù)方案I :一種將多個集流器熔焊到焊接區(qū)中的極耳連接器的方法，每個所述集流器電連接到鋰離子電池的電極，所述方法包括
將各約10至20微米厚的所述多個集流器與約200微米厚的所述連接器極耳對準(zhǔn)以形成工件堆疊，且所述集流器集中在一起且定位于所述連接器極耳之上；
在具有大體上平面的堆疊接觸表面的兩個夾具構(gòu)件的相對表面之間夾持并壓實所述堆疊，一個構(gòu)件具有用于接近所述堆疊中最上方集流器表面的一部分的至少一開口 ；將所述堆疊定位于大體上水平方位；
將所述夾具和堆疊置于處于約大氣壓的基本上無氧的氣氛中且從上方用電子束輻照基本上僅所述堆疊表面的可接近部分以加熱并熔化所述堆疊的最上方箔，且然后繼續(xù)輻照所述堆疊預(yù)定時間以逐步熔化每一個所述集流器的位于所述夾具構(gòu)件開口中的部分且抵靠所述極耳表面形成熔池，之后停止電子輻照且冷卻所述堆疊從而將位于所述夾具構(gòu)件開口中的所述集流器的那些部分和所述極耳熔合在一起。技術(shù)方案2 :根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其還包括使所述夾具構(gòu)件開口相對于所述電子束移位直到基本上所有的所述夾具構(gòu)件開口向所述電子束暴露。技術(shù)方案3 :根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中，所述集流器基本上由銅制成。技術(shù)方案4 :根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中，所述集流器基本上由鋁制成。技術(shù)方案5 :根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中，所述基本上惰性氣氛包括氬和氦。技術(shù)方案6 :根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中，所述夾具構(gòu)件開口基本上為矩形。技術(shù)方案7 :根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中，所述夾具構(gòu)件開口基本上為圓形。技術(shù)方案8 :根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中，所述夾具構(gòu)件由包括下列材料的組中的一種或多種材料制成鋼、硬質(zhì)合金、石墨、鑰、鎳和鎳基合金、氧化鋁和氧化鋯。技術(shù)方案9 :一種將多個極耳連接器熔焊到匯流排的方法，每個極耳連接器電連接到多個鋰離子電池單元電極的多個集流器，所述方法包括
對準(zhǔn)各約200微米厚的多個極耳連接器與500至1000微米厚的匯流排以形成工件堆
置;
在兩個夾具構(gòu)件的相對的大體上平面表面之間夾持并壓實所述堆疊，一個構(gòu)件具有至少一開口用于接近所述堆疊表面的一部分；
將所述堆疊定位于大體上水平方位；
將所述夾具和堆疊置于約大氣壓力下的基本無氧的氣氛中且向電子束暴露所述堆疊表面的所述可接近部分一段時間，所述電子束定位于所述堆疊上方且具有合適的功率密度以加熱并熔化所述堆疊，所述時間足以加熱并熔化所述堆疊以將所述極耳連接器與所述匯流排熔合在一起，以及任選地，
使所述電子束橫穿整個所述開口以使位于所述堆疊的可接近部分中的所述極耳連接·器與所述匯流排熔化并熔合在一起。技術(shù)方案10 :根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，所述集流器基本上由銅制成。技術(shù)方案11 :根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，所述集流器基本上由鋁制成。技術(shù)方案12 :根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，所述基本上惰性氣氛包括氬和
O技術(shù)方案13 :根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，所述開口基本上為矩形。技術(shù)方案14 :根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，所述開口基本上為圓形。技術(shù)方案15 :根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，所述夾具構(gòu)件由包括下列材料的組中的一種或多種材料制成鋼、硬質(zhì)合金、石墨、鑰、鎳和鎳基合金、氧化鋁和氧化鋯。技術(shù)方案16 :根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中，所述夾具構(gòu)件被冷卻。技術(shù)方案17 : —種鋰離子電池，其中，多個集流器使用低壓電子束焊接而熔焊到連接器極耳。技術(shù)方案18 :根據(jù)技術(shù)方案17所述的鋰離子電池，其中，所述集流器和所述連接器極耳基本上由銅制成。技術(shù)方案19 :根據(jù)技術(shù)方案17所述的鋰離子電池，其中，所述集流器基本上由鋁制成。本發(fā)明的這些和其它方面將在下文中描述，但根據(jù)此說明書中所提供的描述，其它方面將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見。


圖I以透視圖示出了包括多個集流器箔和極耳的焊接堆疊。圖2以側(cè)視圖示出包括三個極耳和匯流排的焊接堆疊，每個極耳與特定的袋相關(guān)聯(lián)。圖3以透視圖示出使用紋理化工具進行多次超聲焊接的圖I的箔和極耳的現(xiàn)有技術(shù)附連的圖示。圖4以側(cè)視圖示出用于焊接多個集流器箔和極耳的低電壓電子束焊接工藝的圖
/Jn ο圖5以透視圖示出帶窗口的夾具，其用于在箔與極耳進行電子束焊接期間固定多個集流器箔與諸如圖I所示的極耳。圖6以平面圖示出在帶窗口的夾具中的替代窗口圖案。圖7以透視圖示出了帶窗口的夾具，其用于在箔與極耳進行電子束焊接期間固定多個集流器箔與極耳，對背襯板夾具構(gòu)件提供流體冷卻。
具體實施例方式常常為鋰離子型的具有顯著蓄能能力的高電壓電池一直尋找作為電動機驅(qū)動系統(tǒng)的蓄能系統(tǒng)在混合動力和電動車輛中的應(yīng)用。這樣的電池在完全充電時可產(chǎn)生超過200伏電壓，最通常地在200伏與400伏之間的電壓。這明顯地高于由任何化學(xué)性質(zhì)的單個電池單元所生成的電壓，且可僅通過電串聯(lián)多個單個電池單元而生成。這種電池單元間連接可為電池內(nèi)阻的源。內(nèi)阻是不合需要的，因為其在荷載下減小了電池電壓且生成熱。由于至少這些原 因，所有內(nèi)部的電池連接的電阻應(yīng)盡可能低。每個電池單元將具有兩個連接器，一個對應(yīng)于陽極，另一個對應(yīng)于陰極。在電池單元結(jié)構(gòu)中，陽極和陰極支承于薄箔集流器上，每個箔集流器具有小于20微米的厚度。這些箔集流器，通常用于陽極的為銅的且用于陰極的為鋁的，在將電池單元附連到另一電池單元或到外部電路時用作連接器。通常，單獨電池單元的蓄能能力小于電池所需的蓄能能力使得多個電池單元并聯(lián)以產(chǎn)生所需容量。這些分組的并聯(lián)的電池單元可被裝填電解質(zhì)且密封于軟面袋內(nèi)。然后，多達約36個袋可組裝為模塊，首先并聯(lián)大約3個電池單元以增加模塊的蓄能容量且然后串聯(lián)這些并聯(lián)的電池單元組以增加模塊電壓。為了形成袋，每個都包括陽極和陰極的一系列電池單元組裝并放置于袋(未圖示)中。來自將包括于袋中的電池單元中的每一個的陽極的10至20微米厚的集流器10可聚集在一起為一個堆疊且自每個電池單元的陰極的集流器10’ (以虛線示出)聚集在一起為第二堆疊。陽極和陰極集流器堆疊然后在大體上指示為A和A’的位置焊接到其相應(yīng)的大約200微米厚的極耳(陽極)12和(陰極)12’ 。在大約B和B’形成在極耳12、12’與匯流排(未圖示)之間的連接且陽極匯流排連接的的示范性構(gòu)造在圖2中示出。圖2示出了三個袋11、13和15，另外還有其它袋(未圖示)，袋定位于殼體(未圖示)中且由支承件17支承。極耳12A、12B和12C被引導(dǎo)通過殼體蓋19且與匯流排21接觸。匯流排21可合適地連接以在并聯(lián)的袋11、13和15與類似地布置于殼體(未圖示)中的類似袋(未圖示)之間進行串聯(lián)。當(dāng)并聯(lián)電池單元時，為了最小化連接電阻，焊接為優(yōu)選的連接方法。在圖3中示出當(dāng)前做法。使用在極耳12的寬度上多個線性布置的超聲焊接14來將極耳12連接到箔10的堆疊16。通常，兩個焊接是優(yōu)選的，但可使用更多或更少焊接。通過在對準(zhǔn)的焊接工具(未圖示)之間夾持箔堆疊16與極耳12且超聲激勵焊接工具中的至少一個以使得鄰靠的箔和極耳面彼此碰磨來在陽極上形成超聲焊接。碰磨動作由于摩擦而生成熱且也導(dǎo)致任何表面氧化物層斷裂和移位，允許金屬與金屬接觸且有利于固態(tài)焊接的形成。可通過使焊接工具滾花或具有紋理來輔助該工藝以增加焊接工具占據(jù)區(qū)(footprint)中選定區(qū)中的局部壓力。當(dāng)將極耳12焊接到匯流排(未圖示)時遵循類似工藝，得到被布置成大體上跨越極耳12寬度的一系列間隔開的端對端焊接。焊接的類似構(gòu)造在陰極上示出為114和114’。
在使用中，這樣的連接將經(jīng)受機械應(yīng)力和熱應(yīng)力。由于薄集流器箔、較厚極耳和相對較大的焊接的不同熱質(zhì)量而產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種熱質(zhì)量差異導(dǎo)致箔、極耳和焊接的不同加熱和冷卻速率使得這些元件將處于不同溫度，導(dǎo)致不同的熱膨脹程度且由此產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力的符號和量值可根據(jù)電池操作條件而不同且可隨著時間在焊接中或焊接鄰近處形成裂紋或裂縫。位于焊接邊緣18、18’、118、118’(圖3)處的開裂特別易于出現(xiàn)且有時可在所有焊接處觀察到。這種開裂可傳播以最終斷開在箔10與極耳12之間的任何連接，導(dǎo)致電池損壞，但即使是局部損壞，諸如在邊緣18、18’、118、118’處的開裂也是不合需要的，因為它們將進一步增加接頭電阻且因此進一步增加電池中的內(nèi)發(fā)熱。如圖3所示的那樣，可采用在極耳表面上的一系列單獨焊接，而非跨越極耳12的寬度W的單個焊接。但即使某些焊接可比其它焊接更強，這些單獨焊接可能不提供充分支承來抵抗它們所經(jīng)歷的熱和機械荷載。因此，在第一焊接處的開裂或損壞可逐步地促進在第二、第三或其他焊接處的類似開裂或斷裂。通過擴展焊接占據(jù)區(qū)以延伸極耳的整個寬度，大約45毫米可至少減輕(若未解決的話)這些問題中的某些問題。但這給超聲焊接帶來一些挑戰(zhàn)功率需求顯著增加；以及， 難以維持均勻壓力來促進在此寬度上的均勻氧化物移除。維持均勻壓力的困難由于在接觸工件的工具面上發(fā)生的工具磨損的任何可變性而進一步加重。更有前景的方案是采用熔焊。熔焊也可提供接合整個焊接區(qū)面積和形成均勻焊池的機會，有希望形成比使用超聲焊接可得到的接頭更強且更低電阻的接頭。但在這樣的薄工件中控制輸入到這種熔焊工藝的熱可能較為困難。這個問題在焊接鋁時變得特別尖銳，這歸因于在其表面上初始存在不導(dǎo)電的氧化物層。當(dāng)氧化物層被滲透或移除時，鋁的行為可顯著不同，導(dǎo)致需要根據(jù)氧化物膜的狀態(tài)來改變焊接參數(shù)。常常需要高功率輸入來克服氧化物層的絕緣效果，但一旦開始熔化且氧化物層開始分散，需要低得多的功率輸入。特別是對于這種薄工件，減小功率輸入的任何延遲可汽化或嚴重損壞至少一些連接器。備選地，如果為了避免過度熱輸入而減小熱輸入，則存在不發(fā)生熔合或僅發(fā)生有限熔合的風(fēng)險，導(dǎo)致高電阻低強度的接頭?？墒褂媒佑|和非接觸方法來實現(xiàn)熔焊。優(yōu)選的接觸方法為電阻點焊，但除了表面氧化物的困難之外，任何接觸方案將遭遇相同的對準(zhǔn)和磨損問題，這會影響超聲焊接。因此非接觸熔焊方案為優(yōu)選的。選項包括激光焊接和電子束焊接，但激光能量與工件表面相互作用并耦合使得存在或不存在氧化物層和因此所致的表面反射率的變化和可變性使得這個工藝變得不再有吸引力。而且，激光通常僅將入射激光能量的一小部分，可能小至3%-5%轉(zhuǎn)移到金屬工件表面內(nèi)。而且，特別地對于鋁而言，在熔化期間發(fā)生的反射率變化造成有冷焊或使得連接器中某些汽化風(fēng)險的問題。低壓電子束焊接并不具有這些缺陷。在電子束焊接中，電子滲透到樣本內(nèi)較短距離以在工件內(nèi)生成熱。滲透取決于加速電壓且與工件的原子序數(shù)負相關(guān)。例如，30kV電子可滲透銅內(nèi)約2微米且60KV電子滲透鋁內(nèi)約10微米。低壓電子束焊接在可高達接近大氣壓力的氣氛中執(zhí)行。氣氛可包含氬氣和氦氣，該氣氛應(yīng)當(dāng)是基本上無氧的以避免形成氧化物。圖4示出在適合于將多個集流器箔和極耳焊接在一起的構(gòu)造中的這種工藝。工件堆疊60包括成組的箔10和極耳12，箔10和極耳12位于電子束20下方，使得電子束20入射于堆疊集流器箔10與極耳12之間的重疊區(qū)域中的最上方箔10上。不使用助焊劑。工件堆疊60在一個表面上由背襯夾具50支承且通過在箭頭58所示的方向中向帶窗口的夾具52上施加的壓力P的作用而壓縮。帶窗口的夾具52具有開口 55，以允許電子束接近工件堆疊60。開口 55可由豎直壁54或錐形壁56或任何其它合適幾何構(gòu)造的壁來界定。電子由包含于由壁24所界定的腔室22內(nèi)的電子源(未圖示)生成且通過真空泵(未圖示)的作用而維持在約10_5托的壓力，真空泵在孔口 34處如箭頭36所示排出氣體。電子然后由電勢通常維持在約60kV與150kV之間的陽極(未圖示)加速且由磁性線圈46聚焦。在分別通過腔室壁24、28和32中的孔口 23、27和31之后，電子束進入?yún)^(qū)域48，區(qū)域48維持在大氣壓或接近大氣壓且包含氬和氦且基本上不存在氧。由于氣相散射，主要是由于更大的IS原子，電子束分散。入射于工件堆疊60上的電子束大小應(yīng)維持小于開口 55的尺寸D使得該束并不被導(dǎo)向到夾具上?？蛇@通過控制在電子槍與工件之間的間隙距離或者通過調(diào)整線圈46或通過這些方案的任何組合來進行。所選的用于夾具的材料應(yīng)不與熔融金屬起反應(yīng)且不應(yīng)被熔融金屬濕潤。還需要夾 具的表面為平滑的或甚至被拋光，使得在焊接與夾具之間并不因液態(tài)金屬侵潤表面腔和隨后腔與凝固金屬的機械接合而發(fā)生機械相互作用。候選材料可包括鋼、硬質(zhì)合金、石墨、鑰、鎳和鎳基合金、氧化鋁、Al2O3、氧化鋯ZrO2等。同心的腔室22、26和30通過真空泵(未圖示)的作用維持在不同的壓力下，真空泵(未圖示)分別連接到孔口 34、38和42以分別如箭頭36、40和44所示排出氣體。維持動態(tài)壓差，盡管孔口 23、27和31允許腔室間的氣體流動。在腔室26和30中每一個中的典型壓力可分別為10_2和10°托。電子束20的功率密度可足以在所討論的薄材料中以超過60 m/min的焊接速率產(chǎn)生焊縫，且電子束尺寸適合于跨越窗口 55的窗口尺寸中的至少一個，如在圖5中最佳地看出。參看圖5，大體上表示為圓錐形的電子束20入射于帶窗口的夾具52的窗口 55且大小略微小于窗口 55的尺寸D。因此，工件堆疊60 (圖3)的近似尺寸D的寬度將向電子束暴露。為了使得窗口 55的基本上全部寬度L向電子束暴露，該束可以電磁方式轉(zhuǎn)向，使用在寬度上的偏轉(zhuǎn)線圈(未圖示)或者工件可在固定電子束下方橫穿寬度L。電子束的入射能量可耦合到工件堆疊60 (圖3)的表面，逐步地將所有箔10熔合為熔池。極耳12也可熔化并合并到熔池內(nèi)或者熔池可與極耳12的表面接觸，僅熔化到足以在凝固時將極耳和熔池熔合在一起的程度。電子束可橫穿窗口 55的寬度L。在經(jīng)過電子束下方之后，由背襯夾具50支承且由開口邊界邊緣54或56約束到開口 55的熔池可凝固以在工件堆疊60的寬度L上形成熔合的焊接接頭。熔合在一起的工件堆疊然后可從夾具構(gòu)件50與52之間移除。在如圖2所示將極耳焊接到匯流排可遵循類似的程序。決定平面圖焊接構(gòu)造的開口 55被圖示為矩形，其將得到單個矩形焊接。應(yīng)了解可采用諸如圓形、山形、菱形或類似形狀的其它開口，如果這些焊接形狀有利于更好地對抗電池在使用中遇到的熱和機械負荷。同樣，帶窗口的夾具52可結(jié)合任何優(yōu)選平面圖形狀或布置的多個窗口，例如，在圖6中在帶窗口的夾具52’中圖示為55’的圓形開口，如果這樣的構(gòu)造有利于更好的焊接性能。而且，雖然焊池的范圍優(yōu)選在至少一個方向中，例如在圖5中的示例D或者在圖6中的D’，與電子束的范圍相當(dāng)，但是若需要，電子束或所夾持的工件可被掃描或掃過以實現(xiàn)對開口 55或55’的完全覆蓋。
可通過改變在腔室壁32與工件之間的間隙距離來調(diào)整電子束的尺寸以促進更多的電子-氣體散射，或者通過調(diào)整磁性線圈46的聚焦作用來生成更發(fā)散或會聚的束。在合適高生產(chǎn)速率下，可能存在不足的時間來使得帶窗口的夾具52和背襯夾具50中的任一個或二者在移除一個工件與加載下一工件之間的時間期間充分冷卻。在此情形下，可采用主動冷卻。在圖7中示出了背襯夾具50與附連的冷卻器熱接觸，該冷卻器提供由致冷器(未圖示)維持在合適溫度的流動冷卻劑的進入64和離開66，由箭頭68所示。若需要，可附連類似的裝置以與帶窗口的夾具52熱接觸。也可使用促進夾持元件50和52冷卻的其它器件，例如帶翅片的導(dǎo)熱散熱器，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的。
通過參考旨在作為示范性而非限制性的某些優(yōu)選實施例來說明本發(fā)明的實踐。本發(fā)明的整個范圍僅由所附權(quán)利要求限定和限制。
權(quán)利要求
1.一種將多個集流器熔焊到焊接區(qū)中的極耳連接器的方法，每個所述集流器電連接到鋰離子電池的電極，所述方法包括 將各約10至20微米厚的所述多個集流器與約200微米厚的所述連接器極耳對準(zhǔn)以形成工件堆疊，且所述集流器集中在一起且定位于所述連接器極耳之上； 在具有大體上平面的堆疊接觸表面的兩個夾具構(gòu)件的相對表面之間夾持并壓實所述堆疊，一個構(gòu)件具有用于接近所述堆疊中最上方集流器表面的一部分的至少一開口 ； 將所述堆疊定位于大體上水平方位； 將所述夾具和堆疊置于處于約大氣壓的基本上無氧的氣氛中且從上方用電子束輻照基本上僅所述堆疊表面的可接近部分以加熱并熔化所述堆疊的最上方箔，且然后繼續(xù)輻照所述堆疊預(yù)定時間以逐步熔化每一個所述集流器的位于所述夾具構(gòu)件開口中的部分且抵靠所述極耳表面形成熔池，之后停止電子輻照且冷卻所述堆疊從而將位于所述夾具構(gòu)件開口中的所述集流器的那些部分和所述極耳熔合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其還包括使所述夾具構(gòu)件開口相對于所述電子束移位直到基本上所有的所述夾具構(gòu)件開口向所述電子束暴露。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述集流器基本上由銅制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述集流器基本上由鋁制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述基本上惰性氣氛包括氬和氦。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述夾具構(gòu)件開口基本上為矩形。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述夾具構(gòu)件開口基本上為圓形。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述夾具構(gòu)件由包括下列材料的組中的一種或多種材料制成鋼、硬質(zhì)合金、石墨、鑰、鎳和鎳基合金、氧化鋁和氧化鋯。
9.一種將多個極耳連接器熔焊到匯流排的方法，每個極耳連接器電連接到多個鋰離子電池單元電極的多個集流器，所述方法包括 對準(zhǔn)各約200微米厚的多個極耳連接器與500至1000微米厚的匯流排以形成工件堆置; 在兩個夾具構(gòu)件的相對的大體上平面表面之間夾持并壓實所述堆疊，一個構(gòu)件具有至少一開口用于接近所述堆疊表面的一部分； 將所述堆疊定位于大體上水平方位； 將所述夾具和堆疊置于約大氣壓力下的基本無氧的氣氛中且向電子束暴露所述堆疊表面的所述可接近部分一段時間，所述電子束定位于所述堆疊上方且具有合適的功率密度以加熱并熔化所述堆疊，所述時間足以加熱并熔化所述堆疊以將所述極耳連接器與所述匯流排熔合在一起，以及任選地， 使所述電子束橫穿整個所述開口以使位于所述堆疊的可接近部分中的所述極耳連接器與所述匯流排熔化并熔合在一起。
10.一種鋰離子電池，其中，多個集流器使用低壓電子束焊接而熔焊到連接器極耳。
全文摘要
本發(fā)明涉及Li離子電池連接的低壓電子束焊接。本發(fā)明公開了用于將單獨鋰離子電池連接為適用于給電動車或混合車輛供電的電池的方法。電池單元集流器在基本上無氧的氣氛中通過電子束焊接到彼此且焊接到連接器極耳。電池單元集流器和連接器凸耳暫時利用夾具固定，夾具的一部分具有開口。電子束大小可受到磁性線圈和氣氛對電子散射的程度的限制，以最小地填充夾具開口來最小化對夾具的任何輻照。若需要，該束或工件可移位，融合整個開口區(qū)域。將多個連接器極耳焊接到匯流排可遵循類似的程序。
文檔編號B23K15/00GK102896416SQ201210262909
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者L.C.列弗 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司