鄭育英,付成波,孫 明,徐前忠

(1.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院,廣東廣州 510006;2.廣州市天球?qū)崢I(yè)有限公司,廣東廣州 510000)

圓柱形鋰離子電池[1]采用鍍鎳鋼殼結(jié)構(gòu),使用最多的是18650型。用電器具對(duì)電池能量密度的要求越來(lái)越高,使得電池的殼體越來(lái)越薄,以增加電芯的體積,但降低了耐腐蝕性能,導(dǎo)致安全性能降低。電池組使用時(shí),通常由多只單體電池串、并聯(lián)組成,對(duì)單體電池一致性的要求也越來(lái)越高[2]。

在輥槽的過(guò)程中,很容易出現(xiàn)電池被割破的現(xiàn)象。本文作者以18650型電池為例,介紹了圓柱形鋰離子電池輥槽工藝的改進(jìn)措施。

1 存在的問(wèn)題

18650型鋰離子電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 18650型鋰離子電池的輥槽及外形圖Fig.1 Beading and its outline drawing of 18650 type Li-ion battery

圖1中,A處為輥槽位置。輥槽使殼體外徑產(chǎn)生一定的收縮,在輥槽處形成一個(gè)向內(nèi)凹的圓弧。圓弧上面與蓋帽的密封圈接觸,在封口時(shí),臺(tái)階面與密封圈擠壓,形成密封,保證電池內(nèi)部環(huán)境與外界隔絕[3];圓弧下面與電池的電芯接觸,并有一定的擠壓,限制電芯上下移動(dòng),提高安全性。輥槽時(shí),由于殼體受到外力擠壓的作用,各點(diǎn)的拉伸率不同,使本來(lái)很薄的殼體變得更薄,并有殘余拉應(yīng)力。如果壁過(guò)薄,則會(huì)破裂,導(dǎo)致電解液滲出,產(chǎn)生安全隱患,縮短電池的壽命。輥槽時(shí),殼體的厚度對(duì)電池的安全性和壽命影響很大[4]。

2 工藝改進(jìn)

本文所用的鋼殼(無(wú)錫產(chǎn))材料為深沖用冷軋?zhí)妓劁揝PEC(日本產(chǎn)),輥槽機(jī)為JTZD-18型立式輥槽機(jī)(東莞產(chǎn))。

影響輥槽質(zhì)量的主要因素有滾刀的尺寸,輥槽時(shí)殼體、滾刀的相互運(yùn)動(dòng)及進(jìn)給。

2.1 滾刀的影響

滾刀的尺寸對(duì)槽口的形狀和質(zhì)量有很大的影響。滾刀的角度決定了槽口臺(tái)階面的傾斜度,隨著角度的減小,臺(tái)階面直線度增大,使槽口的邊與蓋帽的密封圈有更大的接觸面積,可提高電芯的密封性能。臺(tái)階可對(duì)電芯產(chǎn)生很好的擠壓,便于電芯定位,但較小的角度會(huì)使槽口處的殼體產(chǎn)生較大的變形,使殼體減薄,降低電芯的安全性,很容易發(fā)生殼體破裂。將滾刀角度由18°減小到 10°,如圖 2所示;此時(shí),槽口殼體的厚度見(jiàn)圖3。

圖2 滾刀角度的變化Fig.2 The change of hob angle

圖3 不同角度加工出槽口形狀和厚度圖Fig.3 Notch shape and thickness drawing with different angle

2.2 輥槽運(yùn)動(dòng)的影響

輥槽時(shí),殼體被上下裝置定位,并隨主軸以一定的速度旋轉(zhuǎn),滾刀在凸輪的帶動(dòng)下,徑向進(jìn)給,如圖 4所示。

圖4 輥槽運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.4 Scheme of beading movement

當(dāng)滾刀與殼體接觸并發(fā)生擠壓時(shí),殼體的上下兩個(gè)凸輪開(kāi)始向槽口送料,殼體外徑向內(nèi)收縮。這4個(gè)運(yùn)動(dòng)相互配合,完成了輥槽運(yùn)動(dòng)。槽口理想的形狀和尺寸如圖5所示。首先要根據(jù)輥槽深度和滾刀尺寸及機(jī)器的狀態(tài),確定滾刀進(jìn)給運(yùn)動(dòng)量,如圖6所示。

圖5 槽口的理想形狀和尺寸Fig.5 Ideal shape and dimension of the notch

圖6 滾刀進(jìn)給路徑Fig.6 Path of hob feeding

輥槽時(shí)滾刀相對(duì)殼體的運(yùn)動(dòng)可以分為3個(gè)階段。

2.2.1 滾刀開(kāi)始切入殼體

滾刀與殼體相對(duì)位置如圖7所示。

圖7 滾刀與殼體的相對(duì)位置Fig.7 Relative position of hob and can

圖7中:X為滾刀進(jìn)刀量,r為滾刀半徑,θ為滾刀中心線與半徑的夾角(滾刀外緣與殼體接觸點(diǎn)),S為滾刀與殼體接觸弧長(zhǎng)的一半,H為弧長(zhǎng)S在滾刀中心線上的投影高度,ΔL為上下凸輪的送料量。

從圖7可知:

式(1)、(2)中:r=0.45 mm,θ可用 arccos[(r-X)/r]代替,X通過(guò)進(jìn)刀軌道上來(lái)取值,范圍為0～0.45 mm。

公式轉(zhuǎn)換可得:

2.2.2 槽口臺(tái)階面的直線部分

這個(gè)階段較簡(jiǎn)單,滾刀的進(jìn)刀量(ΔX)與ΔL相等,滾刀與殼體的相對(duì)位置如圖7所示。式(3)中:X的范圍為0.45～1.30 mm,L2為第二階段輥槽深度。

2.2.3 槽口形成的最后階段,形成槽口的過(guò)渡圓弧

滾刀與槽口的位置關(guān)系如圖8所示。

圖8 滾刀與槽口的位置關(guān)系Fig.8 Position relation between hob and notch

從圖8可知:

公式轉(zhuǎn)換可得:

式(4)、(5)中:R根據(jù)滾刀尺寸取為 0.7 mm,X在此階段值為1.3～1.6 mm。

通過(guò)上面3個(gè)階段的計(jì)算,可得到上下凸輪的理想送料路線,由于實(shí)際的凸輪制造精度與安裝精度的存在,實(shí)際送料曲線與理想送料曲線存在誤差。理想、實(shí)際送料曲線如圖9所示。

圖9 凸輪的理想與實(shí)際送料曲線Fig.9 Ideal and actual feeding curves of the cams

如果徑向進(jìn)刀過(guò)快,就會(huì)出現(xiàn)割脖子,即殼體的槽口位被割透而報(bào)廢的現(xiàn)象;如果進(jìn)刀過(guò)慢,上下芯軸進(jìn)給快,槽口下臺(tái)階面向外突出的大脖子現(xiàn)象,也會(huì)造成殼體與滾刀的摩擦次數(shù)增多,從而將殼體外的鍍層磨損,降低殼體的耐腐蝕性能。

3 改善效果

經(jīng)過(guò)上述方法的改進(jìn),輥槽的成品率穩(wěn)定在99%以上,達(dá)到了項(xiàng)目的設(shè)定目標(biāo)。每生產(chǎn)1萬(wàn)只電池,可減少成本約800元人民幣;同時(shí),輥槽機(jī)的利用率提高了24%。改善后的工序能力指數(shù)(CPK)有很大的提高,如表1所示。

表1 輥槽工藝改善前后的CPKTable 1 Capability process index(CPK)of beading process before and after improving

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析,鋰離子電池輥槽工藝可以通過(guò)改進(jìn)滾刀形狀與尺寸來(lái)改善,同時(shí)也要設(shè)計(jì)合理的凸輪曲線,配合以滾刀軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng),才能加工出理想的輥槽。生產(chǎn)時(shí)必須考慮材料的塑性變形,在輥槽過(guò)程中,由于材料塑性流動(dòng),當(dāng)滾刀停止徑向進(jìn)給時(shí),槽口內(nèi)徑仍然在收縮,造成內(nèi)徑過(guò)小或殼壁過(guò)薄的現(xiàn)象。

[1]YANG Lan-sheng(楊蘭生),WANG Lu(王路),ZHANG Xiaocong(張小聰),et al.圓柱形聚合物鋰離子電池[A].第二十七屆全國(guó)化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].Dongguan(東莞):2006.B152-B153.

[2]GAN Jian-long(甘健龍),ZHANG Qing-shun(張清順).圓柱形-二氧化錳電池安全性能的改善[J].Dianchi Gongye(電池工業(yè)),2006,11(1):15-16.

[3]CUI Shao-hua(崔少華).圓柱形鋰離子電池注液工藝的優(yōu)化[J].Battery Bimonthly(電池),2008,38(5):303-304.

[4]BAI Zhi-hai(白志海),YU Xin-wu(于新武),LU Feng-cong(呂風(fēng)聰).圓柱形堿性蓄電池的封口技術(shù)[J].Dianyuan Jishu(電源技術(shù)),2004,27(4):381-384.