## 在一项案例研究中，电池连接器设计因材料科学的赋能而实现性能大幅提升，充分展现了其在应对新型连接挑战方面的强大潜力。
本文由马特里恩公司艾莉莎·科赫撰写
电池互联材料必须同时满足严格的电气、机械、连接及环境性能要求，而这些性能往往难以通过单一金属来实现。当镍带已无法满足圆柱形锂离子电池组对导电性和耐电解腐蚀性能的要求时，Materion公司开发了一种五层复合金属解决方案，将电导率从18% IACS提升至60% IACS，同时保持了良好的强度、可焊性、可钎焊性以及优异的耐腐蚀性能。
该项目始于一位在户外工具市场使用圆柱形锂离子电池的客户，该客户找到Materion公司，希望共同开发一种能够优化其电池互联设计的材料。他们曾使用镍带作为连接各单体电池的集流体，但发现镍的电导率（18% IACS）不足以高效地应对所需的充放电倍率。他们还发现，虽然镍能够提供良好的环境腐蚀防护，但在电解腐蚀方面表现不足，而电解腐蚀是他们在分析现场故障时所面临的一个更为突出的问题。
圆柱形锂离子电池组的配置。
随后，Materion的任务是设计一种兼具良好导电性和导热性的金属层压材料，同时保持其强度、可焊性、可钎焊性以及电解腐蚀防护性能，以用作电池互联件。
覆层是一种很好的方法，可用于解决某些材料在某一性能方面强度较高而存在其他不足的难题。在某一类别中表现优异，但在另一类别中则较弱。例如，铜具有优异的导电性，但强度不足。此外，不锈钢具有良好的力学性能，但其导电性较差。通过覆层工艺，可以将这两种金属结合在一起，形成一种金属层压材料，其刚度和电导率均高于原始材料。
覆层是一种非合金化工艺，通过将多种金属结合成分层结构，从而将每种金属的最佳性能融为一体，形成一个整体。这是通过将2至3条金属板带送入一台结合轧机（类似于轧机）来实现的，在该轧机中，金属在一次通过时被压下70%，从而发生剧烈的塑性变形。在轧制咬入时，材料被线性拉伸，暴露出未氧化的金属。这使得金属能够相互粘结，形成绿色结合。随后对复合层进行烧结，以促进各金属层之间的扩散，形成冶金结合，同时保持各层的独立性。此时，复合板可按与其他金属带材相同的方式进行加工。
覆层横截面的显微照片，显示了明显的分层结构。
为应对客户的设计挑战，Materion公司开发了一种复合金属带（ConnectiClad），由铜、不锈钢和CuNi合金共五层构成，以满足各项具体的设计要求。
ConnectiClad材料五层结构的横截面。
铜（C102）是复合材料的芯层及主要金属，因为在除银之外的所有商用合金中，其导热性和导电性均为最优。在复合金属中，整体电导率与复合层中各金属的体积成正比。由于C102的电导率为101% IACS，而另一种金属层由于氧化层的电导率可以忽略不计，覆层的整体电导率很容易进行近似估算；由60% C102组成的覆层其电导率约为IACS标准的60%，由80% C102组成的覆层则约为IACS标准的80%，以此类推。对于该客户的应用场景，导电层的电导率达到60% IACS即可满足需求，并且远高于镍的18% IACS，从而为其在充放电过程中提供了一种高效的导电方案。
铜层两侧的夹层需采用不锈钢。客户选择了S304，因为它相比其他不锈钢具有更好的成形性；但在包覆工艺中，任何一种不锈钢均可互换使用。不锈钢为复合材料提供了两大优势：强度和可焊性。
将不锈钢置于铜的外侧，可使该金属具备作为电池互联材料所需的强度和耐久性。抗拉强度的测定方法与电导率相同；覆层中金属所占的体积越大，对该性能的影响就越大。
然而，在弯曲过程中，覆层的外层对强度和刚度的影响尤为显著（在本例中，最外层的铜镍合金因厚度极薄而可忽略不计）。包层的外层纤维相对于纤芯处于受压或受拉状态，因此在外层采用强度更高的材料能够提升整体的弯曲性能。
弯曲刚度差异会因外层覆层的不同而发生变化。
该不锈钢材质还使复合板具备客户所需的可焊性。电阻焊是通过金属传导大电流，并利用该处产生的电阻热使材料局部加热熔化，从而形成焊缝。仅靠铜在电气性能上会过于……且具有良好的导热性，能够有效散发产生的电能和热量，从而防止金属熔化。铜材外层的不锈钢层提供了足够的电阻，使热量得以积聚并形成焊点。
最后，C706铜镍合金被选定为最外层表皮材料。之所以选择该材料，是因为客户要求其具备良好的抗电解腐蚀性能。当电池接头暴露于水中时，由于电极之间的电压差，它会成为电解池。阳极材料会发生腐蚀，并且b