动力电池PACK焊接性能研究

材料研发领域诸如提升电池能量密度及高压电解液研制[8]等；机械结构设计方面需要对电池PACK成组设计、工艺等深入的研究[9，10]。目前，锂电池PACK正不断向大容量、快速充电、长寿命和高安全性方向发展，对其制造过程中的焊接技术也提出了新的要求。主要问题是要针对电池装配与焊接过程的较高精度要求，解决不同材料、尺寸的连接片焊接问题，同时，还要满足快速、大批量和牢固焊接，这样才能应用于企业的批量生产。针对电池PACK中的焊接工艺，本文对镀锡铜-镍材料的点焊效果进行了研究，并与公司现有铜-铜焊接工艺进行了对比，验证了更改方案的可靠性及性能稳定性。

2 实验方法

本文采用本公司交流点焊机进行相关焊接操作，所用极片的规格为40*10*0.35（mm），材料分别为镀锡铜、紫铜；所用端子为公司现有规格，厚度为1mm，材料分别为镍、紫铜。首先对样品进行了抗拉强度测试，测试要求速度为50mm/min，焊接样品内阻测试采用HIOKI 3554型内阻测试仪进行，温度测试采用的是HUATO的HE804测温仪，利用GP/YWP 60型盐雾试验箱对样件进行了盐雾测试，其中NaCl浓度为5%，试验箱温度为50℃，饱和桶温度为47℃，测试湿度>85%，测试时间为30小时。最后对样件进行了过电流性能测试，测试设备为Neware CT-3008W-5V100A-TF型充放电测试柜，测试时给样件加50Amp电流持续通电，通电时间为200S。

3 实验结果

图1给出了公司现有工艺紫铜—紫铜方案（左）与镀锡铜—镍方案（右）的焊接对比图。如图所示，两方案均能实现有效的焊接效果。但是由于紫铜-紫铜焊接时需要进行打磨端子去除氧化等另行处理，工序较多且要投入更多的人工、工时；而镀锡铜-镍焊接无需相关操作，有效的降低了人力成本投入，降低了环境及噪声污染，是一种有效的焊接工艺。

图1 紫铜—紫铜方案（左）和镀锡铜—镍方案（右）焊接图示

为了更好的证实镀锡铜-镍的焊接效果，我们对样件进行了抗拉强度测试，测试时焊点出现松脱既停止测试并记录此时拉力数值，两方案的测试结果在表1种给出。从表1中的数据对比结果可以看出镀锡铜—镍方案抗拉强度均值大于紫铜-紫铜方案，且其稳定性好，数值均大于25kg，镀锡铜-镍方案的抗拉强度满足生产要求。

表1 紫铜—紫铜、镀锡铜—镍方案抗拉强度数据统计表

我们知道点焊是一种接触性的焊接工艺，是通过高温使得焊区材料熔化来实现有效焊接的。那么热量就必然的会通过端子金属传入电池内部。由于锂电池内部电解液在高温度下存在分解、产气的可能，这就对电池的安全性产生了威胁。所以焊接引起电池内部材料的温升将是一项重要的指标。因此，我们2中方案焊接温升进行了测试，测试时，焊接次数为连续焊接2次引起的温升。如图2所示，温感探头黏贴在盖板内侧的铜极耳处，具体的测试数据在表2中列出。

表2 焊接温升表

图2 焊接温升测试温感探头布置示意图

从表2中看出，镀锡铜—镍的方案的焊接温升较低，在安全温升范围内。而紫铜-紫铜的焊接温升较高，存在一定的隐患。为了解释焊接温升的差异，我们从唯象理论来对铜—铜方案和镀锡铜—镍方案的焊接温升进行分析。从表二我们看出，镀锡铜—镍方案所需的焊接电流较小，同时焊接时间较紫铜—紫铜方案少一个周波，依据Q=UIt，镀锡铜-镍方案所吸收的热量相对较少。铜的导热率为401W/（m*K），而镍的导热率为91 W/（m*K），考虑到空气的导热系数仅为0.024 W/（m*K），并且两方案通电过程中均处在相同的环境中，可以认为两者对空气的热传导基本相同。那么由于铜较高的导热率，热量会更快的分布于紫铜-紫铜样件中，使得盖板内部同样散布了较多热量；而镀镍铜-镍样件热量在镍中传导的变慢，降低对电芯内部的热扩散。最终使得镀锡铜—镍方案的内部温升较低。因此，通过温升测试结果看，镀锡铜—镍的方案更好的满足焊接温升要求。

随后我们对两方案盐雾测试前后的内阻进行了测试，测试结果在表3 中给出。

表3 紫铜-紫铜、镀锡铜-镍方案内阻测试数据统计表

从表3 可以得到以下结论：

（1）两方案在盐雾测试后内阻均有小幅的增大，紫铜—紫铜方案内阻增加约1%，镀锡铜—镍方案内阻增大约1.6%。（2）两方案两两相比，无论在盐雾测试前还是测试后，相差极小。盐雾测试前，镀锡铜—镍方案阻值较紫铜—紫铜阻值增大约0.3%；盐雾测试后紫铜—紫铜方案的阻值增大约0.97%。

通过此项测试可看出，虽然镍的导电率较铜的导电率低，但实际方案中镀锡铜—镍的内阻完全可以和紫铜—紫铜方案的内阻相比较，前者代替后者内阻变化基本可以忽略。

通过以上诸多测试我们发现无论是焊接内阻、焊接温升还是抗拉强度，镀锡铜—镍均表现出优良的性能。但是以上测试几乎都是焊接工艺的性能测试，其实际利用效果怎样仍需要进行过电流性能的测试，因此我们对镀锡铜-镍与紫铜-紫铜进行了过电流测试。如图3所示，在盖板内侧铜极耳处黏贴温感探头，连接到Data log读取实时温度并记录。图4给出了镀锡铜—镍方案在50A连续过电流情况下的温度变化关系，从图中可以看出，在整个测试过程中，10个样品的温度均为升高的趋势，在初始25S内温度变化较快，温度升高到35℃左右，温升在7℃左右。在经过200S连续通电后，各个样品的温升变化差别较大，温度最高的样品达到了54.2℃，温升达25℃；温度最低的样品温度为41.7℃，温升约为13℃。从图看出，经过200S过电流后，样品的最高温度在48℃左右变动。

图3 样件安装示意图

图4 镀锡铜—镍方案50A连续过电流温升图 图5 紫铜—紫铜方案50A连续过电流温升图

图5显示的是紫铜—紫铜方案在50A连续过电流情况下的温度变化关系。在整个测试过程中，10个样品的温度同样表现处连续升高的趋势，在初始25S内温度升高到37℃左右，温升在8℃左右。在经过200S连续通电后，温度最高的样品达到了58.2℃，温升达29℃；温度最低的样品温度为46.6℃，温升约为17℃。同时样品的最高温度在51℃左右变动。

为了更好的分析以上两种方案的过电流性能，将温度数据列入图表4中。

表4 镀锡铜—镍、紫铜—紫铜方案50A连续过电流温度变化表

从表4中看出，镀锡铜—镍方案的温升均低于紫铜—紫铜方案的温升，经过200S50A过电流后，前者温升比后者约低4℃。考虑到内阻测试中，两者内阻相差无几，依据焦耳定律Q=I2Rt，在通电时间、电流、内阻相同的情况下，其产生的热量是相同的，那么造成温升差异的就应当是比热容的差异造成的。铜的比热为0.39kJ/（kg*K），镍的比热为0.54 kJ/（kg*K），几乎为铜的2倍。依据Q= CM△T，在吸收相同热量情况下，紫铜将会升高更高的温度。因此紫铜—紫铜方案在过电流测试中内部温升较镀锡铜—镍方案的温升高。

4 结语

本文通过对镀锡铜-镍、紫铜-紫铜方案的焊接性能对比测试发现，极片选用镀锡铜材质，端子选用镍材质的方案具有优良的可焊接性、抗拉性能，焊接过程中温升适当，内阻较低，完全满足高的过电流要求（50A）。而且此方案去除紫铜-紫铜方案中打磨铜端子带来的粉尘污染改善了工作环境（紫铜极易氧化，需要打磨才能焊接），是一个有效的PACK焊接工艺。

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