一种软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法
【专利摘要】本发明提供了一种软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法，包括：将待封边焊接的两个电芯软包铝塑复合膜按照封边焊接位置，使PP内层相对贴合放置；在上尼龙层之上增设透明玻璃层，并填充薄层冷却液体，使两者隔离；施加压力使各层接触紧密；使用激光束从透明玻璃层的上方入射，激光束聚焦在上铝层的表面，使上PP层和下PP层熔化；停止照射或移开激光束，熔化的上PP层和下PP层迅速降温凝固实现牢固紧密封边。本发明利用铝箔中间层的吸收激光、快速升温及热传导，实现PP层熔化而尼龙外层不熔化的工艺效果，辅以外加压力作用下，实现了上下部铝塑复合膜PP内层的激光精密焊接。该激光精密焊接具有封边宽度窄、密封质量好、生产效率高等优点。
【专利说明】
一种软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法
技术领域
[0001]本发明属于激光精密加工领域，具体涉及一种软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法。
【背景技术】
[0002]目前，锂离子电池应用越来越广泛，以包装壳体为标准可以大致分为三类，用柱状不锈钢的18650圆柱电池、用铝壳和不锈钢壳的方型电池以及用铝塑膜的软包电池。铝塑软包装的锂电池有别于传统液态电芯的金属外壳，一旦发生安全隐患，传统液态电芯容易爆炸，而聚合物电芯最多只会气鼓，不会产生任何有害人身和财产安全的问题。原因在于软包的铝塑膜有一定的延展性，胀气等情况的时候可以提供相对大的缓冲空间，所以不会那么容易爆。其次，当气体不断增多，铝塑膜受力拉伸，PP之间的粘合可能会被拉开撕裂，就会容易在爆破阀值到之前先释放了气体，从而防止了爆炸。再者，软包电芯的气体增多时，容易导致内部的正负极片分离的很开，使得反应慢，甚至停止，从而防止了爆炸。受益于国内手机、笔记本电脑、移动终端产品、数码相机等对锂电池需求的快速增长，铝塑复合膜的市场不断壮大。
[0003]目前市售的电芯软包铝塑复合膜结构为:内层聚烯烃(PP)基材，中间层铝箔和外层尼龙薄膜，即PP层+铝层+尼龙层，每层之间通过粘接性助剂复合。表层尼龙层为装饰性层，也起保护铝层不被刮伤之作用；中间为形态成型和防止水分侵入的铝层；内层PP树脂层为耐电解液层。从外观上看，亮的那面是铝层，是包电芯的，是里层，发暗的那面是尼龙层，是表层。电芯软包铝塑复合膜技术指标包括:外观、厚度、阻隔性、冷冲压成型性、热封强度、耐水泡性能、电绝缘性、内膜耐穿刺性能、耐电解液稳定性、电性能等。
[0004]软包铝壳电芯在加工过程中需要对软包铝塑复合膜进行封口，目前一般都是采用热压焊接法，即采用加热到特定温度的刀型压头上下按压封边部位，通过热传导使得两层铝塑复合膜的PP内层发生熔化而粘结在一起。但是现有的封口机在软包封口过程中，容易使得软包封口处出现气泡导致软包密封性下降影响软包锂电池使用寿命;其次，现有的封口机在软包封口过程中软包封口处容易出现毛边，在影响软包锂电池美观的同时亦会影响软包封口处的粘结从而影响其密封性;再者，热压焊接法依靠缓慢升温升压热合，制作过程较长，并且由于长时间高温烘烤作用，使铝层脆化，从而导致密封性能劣化。最后，现有的封口机受限于刀型压头尺寸以及上述的封边焊接问题，一般封边宽度设计得较大，在相同面积软包电芯情况下占去了一部分软包铝壳电芯的内部容量，造成容量损失。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种具有封边宽度窄、密封质量好、生产效率高的软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法。
[0006]本发明是通过如下技术方案实现的:
[0007]—种软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法，包括如下步骤:
[0008](I)将待封边焊接的两个电芯软包铝塑复合膜按照封边焊接位置，使PP内层相对贴合放置，即由下至上依次为下尼龙层、下铝层、下PP层、上PP层、上铝层和上尼龙层;其中下尼龙层和上尼龙层的厚度均为10?ΙΟΟμ??，下招层和上招层的厚度均为10?ΙΟΟμ??，下PP层和上PP层的厚度均为20?150μπι;
[0009]所述尼龙层对后面步骤(4)中所用的激光束透射率大于80%;
[0010](2)在上尼龙层之上增设一透明玻璃层，并在上尼龙层与透明玻璃层之间填充一个薄层冷却液体，使两者隔离；
[0011]所述透明玻璃层是指对后面步骤(4)中所用的激光束透明，即透射率大于90%;所述薄层冷却液体同样要求对后面步骤(4)中所用的激光束透明，即透射率大于90% ;
[0012](3)施加压力使上下电芯软包铝塑复合膜接触紧密，接触应力大于lN/cm2;
[0013](4)使用激光束从透明玻璃层的上方入射，激光束透过透明玻璃层、薄层冷却液体和上尼龙层，聚焦在上铝层的表面，上铝层吸收激光，热传导至上PP层和下PP层，使上PP层和下PP层熔化；
[0014](5)停止照射或移开激光束，熔化的上PP层和下PP层迅速降温凝固实现牢固紧密封边；
[0015](6)重复步骤(4)-(5)，使激光束连续移动扫描可实现连续轨迹焊接。
[0016]进一步的，步骤(4)中还包括:使用另一激光束同时从下尼龙层的下方入射，激光束透过下尼龙层，聚焦在下铝层的表面，下铝层吸收激光，热传导至下PP层和上PP层，使下PP层和上PP层熔化;即上下同时进行激光焊。
[0017]本发明具有如下有益效果:
[0018]1、目前尚未见到利用激光焊接进行铝塑复合膜封边的报道，本发明采用激光透射上部铝塑复合膜的尼龙外层，直接作用在铝箔中间层上，使得铝箔吸收激光能量快速升温，并热传导至PP内层以及与之贴合的下部铝塑复合膜的PP内层，使上下部铝塑复合膜的PP内层快速熔化，同时在外加压力作用下，实现上下部铝塑复合膜PP内层的牢固焊接。本发明巧妙利用了铝塑复合膜的材料物理特性，尼龙外层对常见红外、可见光波段的激光束的较好透射特性(一般透射率大于80% )，以及尼龙外层较高的熔点(一般350度以上)与PP内层较低的熔点(一般低于200度)偏差特点，利用铝箔中间层的吸收激光、快速升温及热传导，实现PP层熔化而尼龙外层不熔化的工艺效果，辅以外加压力作用下，实现了上下部铝塑复合膜PP内层的激光精密焊接。
[0019]2、相比传统的热压焊接法，本发明的激光精密焊接方法加热非常快速，焊接效率高，并且避免了传统热压焊长时间高温烘烤使铝层脆化的技术问题。
[0020]3、本发明巧妙利用了玻璃板的均匀施压作用、以及冷却液体的隔离与散热作用，防止尼龙层自身轻微吸收激光以及受铝箔热传导导致升温过高易发生的粘连、过烧现象，并且玻璃板压力均匀，避免了封口产生毛边、气泡的问题，该方法适用于具有类似的多层膜组合材料的激光精密焊接，适用度很广。
[0021]4、由于本发明的激光精密焊接的封边质量高，从而可以使得封边宽度大大减小，相同尺寸软包电芯情况下，节省了封边面积从而提升电芯面积(即电芯容量)，并且调节封边宽度不需要像传统热压焊那样更换刀型热压头，封边宽度由激光束光斑直径决定，调节方便，成本低。
[0022]5、相比传统的热极板压焊，激光焊接精密程度高，生产效率高，自动化程度更高。
【附图说明】
[0023]图1为本发明所述软包铝壳电芯封边的焊接结构图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
[0025]本发明提供了一种软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法，包括如下步骤:
[0026](I)如图1所示，在工作台10上，将待封边焊接的两个电芯软包铝塑复合膜按照封边焊接位置，使PP内层相对贴合放置，即由下至上依次为下尼龙层1、下铝层2、下PP层3、上PP层4、上招层5和上尼龙层6;其中下尼龙层I和上尼龙层6的厚度均为10?ΙΟΟμπι，下招层2和上铝层5的厚度均为10?ΙΟΟμπι，下PP层3和上PP层4的厚度均为20?150μπι。
[0027]所述电芯软包铝塑复合膜为成品，包括内层聚烯烃(PP)基材、中间层铝箔和外层尼龙薄膜，即PP层+铝层+尼龙层，每层之间通过粘接性助剂复合。
[0028]所述下尼龙层I和上尼龙层6对后面步骤(4)中所用的激光束透射率大于80%。
[0029](2)在上尼龙层6之上增设一透明玻璃层7，并在上尼龙层6与透明玻璃层7之间填充一个薄层冷却液体8(例如水)，使两者隔离；
[0030]所述透明玻璃层7是指对后面步骤(4)中所用的激光束透明，即透射率大于90%;所述薄层冷却液体8同样要求对后面步骤(4)中所用的激光束透明，即透射率大于90%。
[0031]这种设置方式充分利用了透明玻璃层7的均匀施压作用、以及薄层冷却液体8的隔离与散热作用，可以防止在后续激光照射过程中上尼龙层6自身轻微吸收激光以及受上铝层5热传导导致升温过高易发生的粘连、过烧现象;并且透明玻璃层7压力均匀，可以避免封口产生毛边、气泡的问题。
[0032](3)施加压力使上下两个电芯软包铝塑复合膜接触紧密，接触应力大于lN/cm2;
[0033](4)使用激光束9从透明玻璃层7的上方入射，激光束透过透明玻璃层7、薄层冷却液体8和上尼龙层6，聚焦在上铝层5的表面，上铝层5吸收激光，热传导至上PP层4和下PP层3，使上PP层4和下PP层3熔化(温度大于185度)；
[0034](5)停止照射或移开激光束9，熔化的上PP层4和下PP层3迅速降温凝固实现牢固紧密封边;现有技术中采用热极板压焊方法时封边宽度约为3±0.2_，而本发明中激光精密封边可实现宽度在0.2mm?Imm之间。
[0035](6)重复步骤(4)-(5)，使激光束连续移动扫描可实现连续轨迹焊接。
[0036]优选的，本发明所述的激光精密焊接方法还可以在下尼龙层I的下方增加一个激光束，上下同时激光焊接。即步骤(4)中还包括:使用另一激光束9同时从下尼龙层I的下方入射，激光束9透过下尼龙层I，聚焦在下铝层2的表面，下铝层2吸收激光，热传导至下PP层3和上PP层4，使下PP层3和上PP层4熔化。这种上下同时进行激光焊的方式，可以显著加快软包铝壳电芯封边的速度，提高工作效率。
[0037]本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
【主权项】
1.一种软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将待封边焊接的两个电芯软包铝塑复合膜按照封边焊接位置，使PP内层相对贴合放置，即由下至上依次为下尼龙层(I)、下铝层(2)、下PP层(3)、上PP层(4)、上铝层(5)和上尼龙层(6);其中下尼龙层(I)和上尼龙层(6)的厚度均为10?ΙΟΟμπι，下铝层(2)和上铝层(5)的厚度均为10?ΙΟΟμπι，下PP层(3)和上PP层(4)的厚度均为20?150μπι; 所述下尼龙层(I)和上尼龙层(6)对后面步骤(4)中所用的激光束透射率大于80%; (2)在上尼龙层(6)之上增设一透明玻璃层(7)，并在上尼龙层(6)与透明玻璃层(7)之间填充一个薄层冷却液体(8)，使两者隔离； 所述透明玻璃层(7)是指对后面步骤(4)中所用的激光束透明，即透射率大于90%;所述薄层冷却液体同样要求对后面步骤(4)中所用的激光束透明，即透射率大于90% ; (3)施加压力使上下两个电芯软包铝塑复合膜接触紧密，接触应力大于lN/cm2; (4)使用激光束(9)从透明玻璃层(7)的上方入射，激光束(9)透过透明玻璃层(7)、薄层冷却液体(8)和上尼龙层(6)，聚焦在上铝层(5)的表面，上铝层(5)吸收激光，热传导至上PP层(4)和下PP层(3)，使上PP层(4)和下PP层(3)熔化； (5)停止照射或移开激光束(9)，熔化的上PP层(4)和下PP层(3)迅速降温凝固实现牢固紧密封边； (6)重复步骤(4)-(5)，使激光束连续移动扫描可实现连续轨迹焊接。2.根据权利要求1所述的软包铝壳电芯封边的激光精密焊接方法，其特征在于，步骤(4)中还包括:使用另一激光束(9)同时从下尼龙层(I)的下方入射，激光束(9)透过下尼龙层(I)，聚焦在下铝层(2)的表面，下铝层(2)吸收激光，热传导至下PP层(3)和上PP层(4)，使下PP层(3)和上PP层(4)熔化;即上下同时进行激光焊。
【文档编号】H01M2/08GK105914389SQ201610442921
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】于艳玲
【申请人】温州职业技术学院