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1、(10)申请公布号 CN 103561897 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103561897 A (21)申请号 201280019092.7 (22)申请日 2012.04.19 1153430 2011.04.20 FR B23K 20/12(2006.01) H01M 2/20(2006.01) (71)申请人 布鲁技术公司 地址 法国埃尔盖加贝里克 (72)发明人 E维涅拉斯 (74)专利代理机构 北京戈程知识产权代理有限 公司 11314 代理人 程伟 王锦阳 (54) 发明名称 用于储电的组件的搅拌摩擦焊接的设备和方 法 (57) 摘要 本发明涉及用于将两个。
2、能量存储组件 （10） 连 接在一起的方法， 每个能量存储组件包括密封的 金属外壳， 其中 ： 连接带 （30） 的尺寸被确定， 以便 与每个外壳的末端表面相接触， 连接带被放置在 并排布置的两个外壳的末端表面 （24） 上 ； 并且连 接带被搅拌摩擦焊接到每个外壳。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2013.10.18 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/EP2012/057112 2012.04.19 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2012/143414 FR 2012.10.26 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 4。
3、 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103561897 A CN 103561897 A 1/1 页 2 1. 一种用于连接两个能量存储组件 （10） 的方法， 每个能量存储组件包含密封的外壳 （14） ， 在该方法中 ： - 在并排放置的两个外壳的两个末端表面 （24） 上放置连接带 （30） ， 所述连接带的尺寸 使得所述连接带与每个所述外壳的末端表面相接触 ； - 使用搅拌摩擦焊接， 所述连接带被焊接到每个所述外壳。 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 在所述焊接步骤期间， 旋转移动的。
4、设备 （50） 被放 置在与所述外壳 （14） 和 / 或连接带 （30） 相接触， 并且所述设备沿着特别对应于所述末端表 面 （24） 的法线的预定轴平移， 以使其进入所述外壳和 / 或连接带的材料。 3. 根据前述权利要求中的任意一项所述的方法， 其中， 每个外壳 （14） 包含管状元件 （16） 和在所述管状元件的末端闭合该管状原件的至少一个盖子 （18） ， 所述连接带 （30） 优 选地被焊接到所述盖子上。 4. 根据前述权利要求中的任意一项所述的方法， 其中， 所述连接带 （30） 和所述外壳 （14） 被焊接在长度为至少 1 厘米的距离上。 5. 根据前述权利要求中的任意一项所述。
5、的方法， 其中， 所述末端表面 （24） 包含一个或 多个隆起 （28） ， 其形成用于在其上定位连接带 （30） 的装置。 6. 根据前述权利要求中的任意一项所述的方法， 其中， 中心装置由中心针 （28） 构成， 所述连接带包括至少一个匹配孔口 （32） ， 以允许其定位到中心针 （28） 上。 7. 根据权利要求 2 到 6 中的任意一项所述的方法， 其中， 所述外壳 （14） 和所述连接带 （30） 在垂直于所述预定轴的接触表面上重叠， 以使得焊接穿过所述连接带 （30） 以到达所述 外壳 （14） 。 8. 根据权利要求 2 到 6 中的任意一项所述的方法， 其中， 所述连接带 （3。
6、0） 和所述外壳 （14） 在包含所述预定轴的接触表面上接触， 以使得所述连接带和所述外壳被边对边焊接。 9. 根据前述权利要求中的任意一项所述的方法， 其中， 所述外壳 （14） 的末端表面由第 一材料制成， 所述连接带由不同于该第一材料的第二材料制成。 10. 一种包含至少两个能量存储组件 （10） 的模块， 每个能量存储组件 （10） 包含密封 的外壳 （14） ， 所述组件通过符合根据前述权利要求 1-9 中的任意一项所述的方法的连接带 （30） 成对连接。 11. 根据权利要求 10 所述的模块， 其中， 至少一个焊珠 （60， 62） 的尺寸在所述末端表面 （24） 的平面的所有方。
7、向上大于 3 毫米， 尤其大于 5 毫米。 权 利 要 求 书 CN 103561897 A 2 1/6 页 3 用于储电的组件的搅拌摩擦焊接的设备和方法 技术领域 0001 本发明涉及电能存储组件的技术领域。 背景技术 0002 在本发明中，“电能存储组件” 意思是电容器 （即， 包含电极和绝缘体的无源系统） 或超级电容器 （即， 包含至少两个电极、 电解质和至少一个分隔器的无源系统） 或例如锂电 池类型的电池 （即， 包含阳极、 阴极和介于阳极和阴极之间的电解质溶液的系统） 。 0003 所述能量存储组件最常关联在允许满足特定于某些应用的规范的能量存储模块 中。 0004 在现有技术中， 。
8、能量存储模块已知包含多个能量存储组件， 每个能量存储组件被 包含在一个圆柱体外壳中。多个圆柱体外壳并排置于模块中， 并通过连接带串联地电连接 在一起。 0005 每个连接带被放置在圆柱体的基本平坦的多个端壁之一上并置于相邻圆柱体的 相应端壁上。 0006 在现有技术中， 连接带通过在例如文档 FR2915626 中所描述的激光 （LASER） 焊接 过程被焊接到每个外壳上。 0007 激光焊接是透过性焊接， 其在要焊接的两个材料中建立高度局部化的熔化点。熔 化的材料随后混合在一起， 并且鉴于该融化的高度局部化本质， 组件再次几乎立即固化。 但 是， 该焊接的形成依赖于多个参数 （具体而言， 激。
9、光的焦点、 其功率等等） 的精调调整。 0008 但是， 具有连接带的能量存储组件的外壳连接是在电解质已经被置于外壳中并且 注入孔已经重新塞住之后被执行的。 因此， 最重要的是保持外壳的密封， 否则杂质可能被添 加到存储组件的电解质中并极大地减少其寿命， 甚至导致其丢弃。 0009 已经确认， 激光焊接过程由于对将要焊接的区域的熔化具有影响的不同参数而很 少是可重复的， 并且如果光束太强或太聚焦， 则会导致焊接过程中盖子的穿孔。 0010 因此， 为了获得可靠地焊接过程， 需要为存储组件提供相对厚且 / 或具有特殊设 计的外壳， 从而防止激光参数的任意微小干扰使外壳的密封恶化， 并且 / 或者。
10、用于将带焊 接到存储组件的外壳上的不同激光参数必须使用高度精确的装置来监控， 从而带来不可忽 略的制造成本增长。 0011 本发明的一个目的在于， 提出一种制造能量存储模块的简单、 低成本方法， 该能量 存储模块仍然允许保持每个能量存储组件的密封。 发明内容 0012 出于此目的， 提出一种用于连接两个能量存储组件的方法， 每个能量存储组件包 含密封的外壳， 其中 ： 0013 - 在并排放置的两个外壳的两个末端表面上放置连接带， 连接带的尺寸使得所述 连接带与每个所述外壳的末端表面相接触 ； 说 明 书 CN 103561897 A 3 2/6 页 4 0014 - 所述连接带被搅拌摩擦焊接。
11、到每个外壳。 0015 在本发明中，“末端表面” 意思是希望与连接带相对布置的上或下外壳表面。对于 具有纵向轴的外壳 （例如， 圆柱体外壳） ， 末端表面例如是垂直于外壳的纵向轴的表面。 0016 每个存储组件优选地包含至少两个电极和电解质。组件可以是相同的， 或者具有 相同形状和相同类型 （超级电容器、 电池等等） ， 或具有不同形状和 / 或不同类型。 0017 所述方法具有极大优点。搅拌摩擦焊接是一种焊接技术， 其中工具在要焊接的部 件被非常快地旋转驱动。工具进入材料， 将其加热到糊状。与搅拌相关联的加热允许被焊 接的部件的构成材料的焊接。 焊接在糊状状态下被执行， 并且工具仅加热与其接。
12、触的材料。 0018 因此， 该方法非常易于控制， 因为如果工具本身不穿过外壳， 则不存在焊接后材料 污染电解质的风险。因此， 通过该方法的控制接近于核实工具的运动， 这是易于执行的。不 需要将盖子的厚度增大到激光焊接所需的程度。 0019 由于焊接在糊状状态下执行， 因此还将注意到， 不存在热裂的风险， 热裂也可能使 外壳的密封恶化。 0020 因此， 根据本发明的方法允许以简单、 低成本的方式将能量存储组件连接在一起， 同时保持每个存储组件的密封。 0021 本发明的方法还具有多个其他优点。 0022 具体讲， 其允许增大不同能量存储组件之间的电传导， 而无需要求任意增大周期 时间。 00。
13、23 可有效地发现， 与现有技术中针对激光焊接的情况 （功率与光束的尺寸极大地相 关） 不同， 利用本发明的方法， 焊珠对应于搅拌焊接工具的尺寸， 该尺寸不受工具功率的约 束所限制。 因此， 可以通过增大工具的尺寸来增大焊珠或焊点的尺寸， 因而增大连接带和每 个外壳之间的电传导， 而无需执行焊接工具在被焊接区域上的多次穿过， 从而保持较短制 造时间。 0024 出于同样原因 （焊珠宽度） ， 从存储组件的上部朝向连接带的热传导被改善。因此 热量耗散通过本发明的方法被优化。 0025 另外， 连接带可以更节省、 具有更简单的形状。有效地， 无需掏空连接带来获得局 部厚度减小， 如现有技术为了辅助。
14、激光焊接所执行的。无中空连接带的使用还允许连接带 与模块的传导垫相接触的表面最大化， 这还确保朝向模块外更好的热量耗散。 0026 最后， 本发明的方法通过将外壳的材料加热到远小于现有技术的程度而被执行。 因此， 与激光焊接相比， 降低了损坏外壳内的电解质或实际能量存储元件的风险。 0027 本发明的方法还包括以下特征中的一个或多个 ： 0028 - 在所述焊接步骤期间， 旋转移动的设备被放置在与外壳和 / 或连接带相接触， 并 且所述设备沿着预定轴平移， 以使其进入外壳和 / 或连接带的材料。该轴一般对应于外壳 的末端表面的法线。如果外壳是管状元件， 该预定轴则一般对应于该管状元件的对称轴 。
15、； 0029 - 每个外壳可以包含管状元件和在管状元件的末端闭合该管状原件的至少一个盖 子。具体讲， 外壳可以包括两个盖子， 每个盖子位于管状元件的一个末端。优选地。连接带 被焊接到盖子上。在此情况下， 盖子的一个表面形成组件的末端表面 ； 0030 - 连接带和外壳可以被焊接在长度为至少 1 厘米的距离上， 这允许增大组件的电 传导。但是， 还可以执行连接带在盖子上的点焊 ； 说 明 书 CN 103561897 A 4 3/6 页 5 0031 -末端表面可以包含一个或多个隆起， 其形成用于在其上定位连接带的装置。 该隆 起可以例如由中心针构成， 然后连接带可以包括至少一个匹配的孔口 ； 。
16、该隆起还可以由用 于限定连接带的轮廓的一个或多个针构成 ； 0032 - 外壳和连接带可以在垂直于预定轴 （具体讲， 末端表面） 的接触表面上重叠， 以使 得焊接穿过连接带以到达外壳 ； 0033 - 连接带和外壳可以在包含预定轴的接触表面上接触， 以使得连接带和外壳被边 对边焊接 ； 在此情况下， 工具可以同时进入外壳和连接带的材料。 该实施例一般在外壳包含 形成对于连接带的定位装置的隆起时被应用 ； 0034 - 连接带可以由传导材料构成， 具体讲， 铜 ； 0035 - 外壳可以至少部分由金属材料构成， 具体讲， 铝 ； 0036 - 外壳的末端表面可以由第一材料制成， 连接带由不同于该。
17、第一材料的第二材料 制成。利用本发明的方法， 可以有效地使连接带和外壳具有不同材料。由于焊接在材料处 于糊状状态下执行， 因此利用该方法， 可以易于将具有不同属性的不同材料焊接在一起。 在 现有技术中， 难以 （使用激光焊接技术） 将两个不同材料焊接在一起， 尤其如果它们各自的 熔化温度相去甚远的话。 如果希望焊接铝和铜， 这尤其是个问题， 铝由于其刚性和重量轻的 属性被推荐用于制造外壳， 铜具有极好的电传导属性并且能够有利于用于制造连接带。相 去甚远的熔化温度可能带来多个明显的技术难点， 包括收缩性的不同， 这不允许获得两种 材料的可靠、 耐用的焊接。 利用本发明的方法， 可以优化对要组装的。
18、不同部件的构成材料的 选择 （例如， 铜用于连接带， 铝用于外壳） ， 因为该方法不会添加将限制该选择的任何约束。 0037 类似地， 本发明的方法可以用于焊接铝合金 （例如， 6000 系列类型） ， 铝合金具有有 利的机械属性， 但是难以使用激光焊接方法来焊接。 0038 本发明的另一主题在于至少两个能量存储组件的模块， 每个能量存储组件包含密 封的外壳， 这些组件通过连接带被成对连接， 其符合上述方法。 0039 在外壳上连接带的焊珠在末端表面的平面的所有方向上大于 3 毫米， 尤其大于 5 毫米。 附图说明 0040 本发明的其他特性、 目的和优点将从以下描述中变得更加明显， 以下描述。
19、仅仅是 示例性而非限制性的， 并将结合附图来阅读， 附图包括 ： 0041 图 1 是根据本发明一个实施例的模块的能量存储组件的径向截面视图 ； 0042 图 2 是根据第一实施例的包含两个能量存储组件的模块的俯视图 ； 0043 图 3 是允许实现根据本发明的一个实施例的方法的搅拌摩擦设备的径向截面图 示 ； 0044 图 4A 和 4B 是已被焊接的连接带以及存储组件的接口的详细横截面视图 ； 0045 图 5A 至 5C 是根据本发明的实施例的变体的模块的透视图。 具体实施方式 0046 现在将更详细描述根据本发明的一个实施例用于连接两个组件 （具体讲， 超级电 容器） 的方法。 说 明。
20、 书 CN 103561897 A 5 4/6 页 6 0047 参考图 1， 示出针对其实现本发明的方法的超级电容器的实施例的示例。 0048 超级电容器 10 包含置于外壳 14 （在所述实施例中， 外壳 14 是包含圆柱体侧壁 16A 和底部 16B 的壳体 16） 中的绕阻 12 以及覆盖并闭合壳体 16 的盖子 18。外壳还包含液体电 解质， 为了清楚， 该液体电解质在图中没有示出。 0049 壳体 16 和盖子 18 在它们的整个边缘上粘合， 以确保超级电容器的密封。壳体 16 和盖子一般是铝制。它们还借助连续的粘合珠彼此电隔离， 所述粘合珠将它们连接在一起 以避免短路。 0050。
21、 绕阻 12 由包含彼此重叠的两个箔电极 20、 21 和绝缘分隔器 22 的单元构成， 该分 隔器被插入在两个箔电极 20、 21 之间。 0051 每个箔电极包含一集电极和一电极， 该电极由明显包含活性炭并被沉积在集电极 的两个相对表面上的有源材料构成。 每个电极的集电极分别连接到壳体16和盖子18， 该壳 体和盖子因此分别构成能量存储组件的正端子和负端子。 0052 盖子 18 包含上表面 24 和紧接壳体 16 的轮廓的圆柱体翻转边缘 26。盖子的上表 面 24 和壳体的底部 16B 构成外壳的末端表面。盖子还包含中间隆起 28 （以下称为中间针） 。 0053 如上所述， 能量存储组。
22、件通常串联装配， 以形成专用于特定应用的模块。 为了串联 装配不同的组件， 一般需要首先将一个组件的壳体 16 连接到至少一个相邻的组件， 再将盖 子 18 连接到另一相邻的组件。被连接到模块的端子的多个组件仅仅连接到一个相邻的组 件。 0054 图 2 给出包含两个如图 1 所示的存储组件的模块的俯视图。 0055 可以看出， 这两个组件的盖子 18 经由被布置在每个盖子的上表面 24 上的连接带 30来装配。 连接带30是平的并具有狭长形状， 并且在其纵向方向上的每个末端的附近包含 孔口 32， 孔口 32 的尺寸与盖子 18 的连接带的中间针 28 的尺寸匹配。连接带的长度明显大 于存储。
23、组件的直径。具体讲， 其长度介于组件的直径的一倍到三倍之间。两个孔口 32 之间 的间隔也大于组件的直径。 0056 从图中可以看出， 连接带是实心的， 但是也可以包含中空， 并且其形状不固定。 0057 现在将描述用于将连接带连接到盖子上的方法。 0058 在第一步骤， 连接带 30 被放置在盖子上， 具体而言， 通过将每个孔口 32 放置在能 量存储组件 10 的盖子 18 的中间针 28 上来进行。中间针 28 的尺寸被确定以使其根本上具 有与连接带相同的厚度。 0059 一旦连接带就位， 则通过 FSW（搅拌摩擦焊接） 将其焊接到每个盖子上。 0060 为了该焊接， 使用诸如如下所述的。
24、搅拌摩擦设备。该搅拌摩擦焊接步骤将在首先 描述所使用的设备之后进行解释。 0061 该设备包括沿旋转轴 A-A 延伸的具有圆柱体形状的主体 50。主体 50 的构成材料 例如是钢或硬度大于所焊接的部件的构成材料的任意类型的材料。 0062 该设备还包括头端 51， 该头端 51 延伸到主体 50 的轴端之一。头端包含平锥形状 的尖端 52 和在与主体 50 的旋转轴 A-A 基本垂直的平面上延伸的外围肩部 54。 0063 设备的主体 50 和头端 51 被适配成使得它们能够围绕与主体 50 的旋转轴 A-A 相 对应的旋转轴被旋转驱动。在焊接操作期间， 设备的头端进入材料， 将其加热到糊状。。
25、与搅 拌相关联的加热允许被焊接的部件 （这里是连接带 30 和盖子 18） 的构成材料的焊接。冷却 说 明 书 CN 103561897 A 6 5/6 页 7 后， 焊接完成。 0064 借助本发明的设备， 部件的加热由于焊接是在糊状状态下执行而被减小。这减小 了存储组件恶化的风险。 0065 设备头端的平锥形状使得材料被困住， 从而限制碎片形成。该平锥形状还允许加 热的材料流向与肩部相反的方向， 以在其向前行进时重新插入由设备的头端所形成的孔。 0066 该设备还包含用于在旋转中驱动设备的主体50和头端51的马达 （未示出） 。 例如， 该马达能够以介于 500 到 5000 转 / 分之。
26、间 （优选 1000 转 / 分） 的速率旋转设备的主体和头 端。 0067 因此， 在该焊接步骤， 设备 50 被设置在操作中并放置在组件上， 以使得工具的旋 转轴 A-A 与组件的对称轴重合。首先， 设备 50 被定位， 以使其头端 51 在孔口 32 附近覆盖 盖子的中间针 28 和连接带 30 两者。 0068 如图 4A 所示齐平放置的两个部件 （连接带 30 和中间针 28） ， 设备 50 沿轴 A-A 平 移， 以使其几乎同时进入这两个部件。 由于其旋转运动， 其局部地将材料变成糊状并将连接 带和中间针的材料混合。中间针 28 和连接带 30 随后借助焊珠 60 被边对边焊接。。
27、 0069 一旦设备50已经进入两个部件， 其被定向以使其沿中间针28的轮廓移动， 随后设 备被抽回。一旦这些步骤都已经执行过， 材料冷却， 并且焊接完成。焊珠 60 具有工具头端 的宽度 （即， 3 到 5 毫米宽） ， 并且其路径由图 2 中的虚线示出。 0070 接下来， 为了再次强化连接带和盖子的焊接， 设备 50 被放置在连接带 30 的外围。 设备的头端被向下按， 以使其在连接带的材料被加热之后穿过该连接带， 直到其到达其进 入的盖子的上表面 24。盖子和连接带的材料也通过设备 50 的运动被混合 （如图 4B 可以看 出） ， 并且设备 50 在其部件被重叠在盖子之上的状态下沿着。
28、连接带的外围移动。同样由图 2 中的虚线示出的焊珠 62 是连续的， 并且其长度可以是几个厘米。 0071 在完成连接带 30 到存储组件 10 的焊接之后， 对于其他组件重复该操作。 0072 本发明的方法是最有利的， 因为其允许焊接在无需过度加热材料的情况下进行， 并且因此不存在损坏置于外壳内的电解质的风险。 0073 另外， 其允许获得比利用激光焊接更大尺寸的焊珠， 这有利于减小模块的电阻。 0074 注意， 本发明并不局限于所述实施例。 0075 例如， 能量存储组件不一定如上所述。 其可以是平行六面体的而非圆柱体的， 并且 / 或者可以包含位于开口管的每端的两个盖子。盖子还可以具有平。
29、坦的末端表面并且不包 含任意中间针， 如图 5A 到 5C 的变体所示。可选地， 可以用其他中心装置来替代中间针， 例 如紧随连接带的外轮廓的隆起。 0076 连接带也可以不同于所做描述。 其可能不具有孔口， 如图5A到5C的变体所示。 其 还可能将两个壳体连接在一起或一个壳体连接到盖子。 0077 类似地， 本方法不局限于在前描述。 连接带可能仅包含上述两个焊珠中的一个。 其 还可能在不同于以上描述的点被焊接到盖子。例如， 其可以使用焊点 70（如图 5A 所示） 来 焊接， 使用构成半径等于盖子的半径的大约一半的圆圈的圆形连续焊珠 80（如图 5B 所示） 来焊接， 或使用多个珠子 80A。
30、、 80B、 80C、 80D（如图 5C 所示） 来焊接， 这些珠子 80A、 80B、 80C、 80D 呈 V 字形， 并均匀地分布在组件的盖子的末端表面。注意， 在图 5A 至 5C 所示的变体中， 焊珠穿过连接带到达存储组件的盖子， 并因此类似于图 4B 所示的焊珠。 说 明 书 CN 103561897 A 7 6/6 页 8 0078 还可以设想使用具有不同于之前描述的配置的焊接设备来实现本发明的方法。 0079 最后， 包含多于两个能量存储组件的模块显然处于本发明的范围之内。所述组件 还可以是电池和 / 或电容器， 或者它们可以具有不同类型 （例如， 组件之一是电池， 另一组 件是超级电容器） 。 说 明 书 CN 103561897 A 8 1/4 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103561897 A 9 2/4 页 10 图 3 图 4A 图 4B 说 明 书 附 图 CN 103561897 A 10 3/4 页 11 图 5A 图 5B 说 明 书 附 图 CN 103561897 A 11 4/4 页 12 图 5C 说 明 书 附 图 CN 103561897 A 12 。