本发明专利技术涉及一种利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板／微孔隔膜的方法，其中来自激光光源的激光透过半透明的框体聚焦在不透明的双极板或微孔隔膜的板面上以熔化照射部位的上下两块塑料板，从而在压力的作用下将两块板熔接在一起。本发明专利技术的方法提高了焊接的效率，大幅度地降低了废品率。并且，本发明专利技术的方法具有节省劳动力，节省成本的优势。本发明专利技术还涉及利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板／微孔隔膜的装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及双极型结构电池领域，具体涉及双极型结构电池元件、特别是双极板 或微孔隔膜元件的焊接方法和装置。
技术介绍
本领域内的人员知道，相比于单极型电池，双极型结构的原电池有更小的体积和 重量，因此他们有着更高的质量比能量和体积比能量(能量密度)。同时，双极型结构的 原电池可以提供稳定的表现，并且由于双极型结构的电池缩短了电流流动距离而降低了内 阻，增加了使用效率。所谓双极型结构的电池，是指在一个双极型结构的电池单元中，包含一个可以分 隔开各个单电池并且导通相邻单电池电流的可导电板-双极板。双极板通常采用薄板状结 构，从而达到加大反应面积减小电流流动距离的效果。在双极型结构电池体系中，双极板的 两面中一面用作正极，另一面用作负极。因此，双极板是由一种具有高导电性和在电化学环 境中的高稳定性的材料构成的。双极板一般不直接将产生的电力引出，而仅仅是作为中间 电极以连接两侧的单电池，从而作为电力的传导通路。目前有很多种形式的双极板，其中美国专利US4214969和US4339332和欧洲专利 申请EP0268397A1揭示了几种比较典型的双极板结构。一般来说，用于氧化还原反应电池 的双极板通常会在双极板的两侧或一侧粘结上薄薄的一层电化学活性物质，例如含电化学 活性物质的石墨层或者活性炭层。这样既提高了导电性又增加了反应面积，对增强双极板 性能很有好处。根据电解液是否循环，双极型电池可以分为有电解液循环的双极型电池(即动态 液流电池)和无电解液循环的双极型电池(即静态液流电池)。本专利技术仅讨论动态液流电 池。动态双极型结构的电池是由电池外部的泵带动电解液在单体电池的层积体内循 环流动。在充电过程中，泵体由外部能量带动；在放电过程中，由电池本身的能量驱动其运 转。如图1中所示，动态双极型电池的层积体由片状或板状的热塑性框体层积而成， 包括一对端板2和43、一对端板电极IOa和IOb (其框体为端板电极框2a和2b)和若干对 分别承载了双极板5和绝缘微孔隔膜6的中间框体4和3。在该层积体(也称为电堆)中， 双极板与隔膜交错排列，从而在电堆内部构成了单电池的串联分布。每一对双极板和隔膜， 构成一个单电池。框体3和4的厚度大约是2-3mm。中间框体3和4是用热塑性树脂经过加工成型而制成，所使用的树脂材料可以是 聚乙烯、聚丙烯或者聚氯乙烯等材料。通常，还会在树脂材料中添加碳纤维、石墨纤维和玻 璃纤维等纤维材料来加强框体的强度。纤维的重量一般占到框体重量的20% -30%左右。一般来说，每个中间框体3和4都是矩形的，并在矩形的中心有一个同样是矩形的 空心部分，由相应的中间框体、双极板和微孔隔膜包围以形成容纳电解液的电池腔体12和7。如图1所示，双极板5紧密地贴合在中间框体4中心部位的一个矩形槽8中，而微孔隔 膜6也紧密贴合在中间框体3中央的相应矩形槽中。双极板5是由石墨、炭黑等导电物质和HDPE的混合物制成的；每两个相邻的中间 框体4的双极板5被一层电绝缘材料所分隔开，这种电绝缘材料就是中间框体3中的微孔 隔膜6。微孔隔膜6可以将正极电解液与负极电解液相互隔开以防止电池自放电，同时允许 导电离子透过以保证整体电堆的电流可以不受损失的通过。端板2和43是实心的板材，可以给整个电池提供一定的强度以延长端面寿命。端 板2和43的材质通常是玻璃钢板或者其他厚度不小于30mm的具有一定强度的聚合树脂板 材。端板电极IOa和IOb是单电极极板，与最外侧的中间框体3或4紧邻。端电极的 取电端子11和9分别与两侧的端板电极IOa和IOb连接，一般安装在极板的中间位置并从 端板中心穿出。如图2所示，为了帮助电解液在电池单元内正常地循环，每一个中间框体3或4都 有进口流动区域13和出口流动区域14(见图2)。进口流动区域13包括主管路入口 15和 单体分流道17，出口流动区域14包括主管路出口 16和单体分流道18。在中间框体3和4上，电解液的进口和出口流动区域13和14还分别包括了电解 液流动分配区19和20。分配区19包括预分配区19a和多条最终分配细流道19b，而分配 区20包括预分配区20a和多条最终分配细流道20b。最终分配细流道19b和20b最后连接 到电池腔体(电解液反应区域)7或12。负极电解液经过流动分配区后进入到由框体4与双极板5构成的电池腔体7或端 电极板2a与端电极IOa构成的电池腔体7中；正极电解液经过流动分配区后进入到由框体 3与微孔隔膜6构成的电池腔体12或端电极板2b与端电极IOb构成的电池腔体12中。前面提到，在动态的双极型结构的液流原电池中，有电解液在电池腔体内循环流 动。因此，在双极板结构的原电池中，为了使电解液可以分别在各自的电池腔体中流动而不 泄漏到相邻的腔体内和造成由正负极电解液互混引起的自放电，需要双极板5与绝缘框体 4以及微孔隔膜6与绝缘框体3紧密的焊接成一体以形成各自密封的腔体7和12。同时， 良好的密封也提高了双极板和隔膜各自的强度，使得双极板和微孔隔膜在具有一定压力的 电解液的流动过程中不会因为受到液流冲击而变形。现实中，动态液流双极型电池一直没有被广泛地商业化应用，其中一个主要的原 因是电池元件间连接的密封问题一直得不到妥善的解决。热塑性树脂材料的框体和双极板 /隔膜之间的密封连接一直以来都是一个棘手的技术难点。过去，热塑性树脂材料的框体与 双极板之间都是通过热焊接、超声焊接或使用胶粘的方式实现密封的。热焊接或超声焊接 的方式存在的主要问题是加热区域难于精确控制和溢料问题难于解决，导致被焊接的部件 变形和对流道造成破坏，极大地影响了电池的性能。而使用胶粘工艺密封的双极板则由于 所使用的粘合剂(例如，硅基粘合剂)会和电解液发生反应，因而很难在具有强氧化性的环 境中保证电池的长期稳定运行。另外，在美国专利US5035045中详细地介绍了使用红外焊接的方式来实现双极型 电池的框体与框体之间的焊接，从而实现密封的方法。但红外焊接技术功耗比较大，对焊接 元件的形状和尺寸有一定要求。另外还需要特殊的掩膜，否则焊接溢料难以控制。激光焊接技术已经被应用于塑料的焊接。例如，US2004/154737A 1公开了一种利 用激光焊接塑料工件的方法。在激光焊接的过程中，需要两种塑料的化学性能相近，并且一 种塑料透明或者半透明，另一种塑料完全不透明。关于塑料的激光焊接方法和装置的信息还可参见CN1266776A、CN201320841Y、 W02004/058485,CN101053995A 等。激光焊接有非常多的优点，减少劳动量，降低成本并提高生产效率等等。最主要的 优势是容易对焊接部位进行控制，对提升成品率有非常大的帮助。但电池双极板的焊接要求不能对焊接区域以外的其他部分的性质产生影响，同时 不能损害焊接区域的精细的流道结构，因此需要对激光焊接区域进行特别精确的控制。但至今，现有技术中仍然没有使用激光焊接的工艺来实现双极型结构的电池中塑 料绝缘框体和双极板/微孔隔膜之间的密封的先例。
技术实现思路
前面说过，针对于绝缘框体与双极板之间的焊接和密封问题，一直是双极型结构 电池需要解决的问题之一。由于焊接工艺的不完善，很多种焊接工艺都表现出成本高，成品 率低的问题。本专利技术的目的是克服现有技术的缺陷，提本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种利用激光焊接双极型结构电池的绝缘框体和双极板／微孔隔膜的方法，其中绝缘框体与双极板／微孔隔膜组装在一起形成环形接触区，绝缘框体由对激光透明的热塑性塑料制成，而双极板／微孔隔膜是对激光不透明的热塑性塑料制成，所述绝缘框体的厚度在０．５－４ｍｍ之间；所述双极板或微孔隔膜的厚度在０．６－３ｍｍ之间，该方法包括：来自激光光源的激光透过绝缘框体聚焦在双极板或微孔隔膜的板面上以熔化照射部位的上下两块塑料板，并在压力作用下将两块板熔接在一起，其中所述激光光源的发射功率在６－３５Ｗ之间，所述激光相对于待焊接的绝缘框体与双极板／微孔隔膜组装件以２－４米／分钟的速度移动。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孟琳，吴正宇，陈海龙，
申请(专利权)人：长春汇能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]
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