圓柱狀一次鋰電池抽真空注液機(jī)構(gòu)的分析與改進(jìn)

徐小春

（福建南平南孚電池有限公司，福建南平 353000）

1 引言

早在2000 年，世界電池行業(yè)的巨頭——?jiǎng)帕?，研究開發(fā)出圓柱狀一次鋰電池的生產(chǎn)工藝，3 年后該產(chǎn)品順利實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)并投放歐、美市場，不僅給勁量帶來豐厚的利潤，同時(shí)也對原有歐美發(fā)達(dá)國家一次電池市場的格局帶來不小的沖擊。為此，筆者公司一直致力于一次鋰電池的開發(fā)研究并順利實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)。目前降低成本，提高電池質(zhì)量為首要任務(wù)。注入電解液（或稱注液）是制造圓柱狀一次鋰電池的關(guān)鍵工序。電解液原材料價(jià)格昂貴，約占電池制造成本20%左右，實(shí)際年平均生產(chǎn)一只鋰電池的電解液用量約為電池生產(chǎn)工藝要求的1.35 倍，高于正常用量的1.1 倍。注液機(jī)構(gòu)的電解液超耗占電池生產(chǎn)成本5%左右，而且注液量不穩(wěn)，隨之而來的是設(shè)備維修頻率高。注液量又直接影響電池的性能，注液太多造成材料的浪費(fèi)、電池易漏液，注液太少會降低電池的容量。確保注液量的穩(wěn)定非常重要，因此必須在原有的基礎(chǔ)上對注液設(shè)備進(jìn)行改造，一是解決注液量不穩(wěn)定、降低電解液被抽入真空過濾器、減少電解液的耗用；二是降低設(shè)備的維修頻次、維護(hù)成本，提高開機(jī)效率。

2 圓柱狀一次電池抽真空注液的生產(chǎn)工藝

電池進(jìn)入注液機(jī)密封→打開抽真空閥門→電池抽真空→真空閥門關(guān)閉→定量注液→電池脫離密封→出注液機(jī)。

圖1中，工位1：電池進(jìn)入注液間歇轉(zhuǎn)盤；工位2：電池密封，打開抽真空閥門；2至9 工位：電池抽真空；9 工位：關(guān)閉抽真空；工位9 至10：前0.5s 定量注液，后0.5s 關(guān)閉注液泵及注液閥門；工位10 至11：至0.5s 電池密封打開；工位12：電池出轉(zhuǎn)盤。具體的動作時(shí)間如表1 所示。

圖1 12 工位工作周期圖

表1 工位周期動作步驟表

圖2 單工位工作原理簡圖

3 存在問題的分析

3.1 電池口部密封件失效

如圖2，由于殼體口部為切口，在動作中不可避免會造成損傷，致使注抽真空腔體在抽真空時(shí)與外部的微漏檢測難，造成12個(gè)工位的真空度值不一，影響電解液的吸收速度，只有電池脫離密封，電解液溢出才可發(fā)現(xiàn)。其后果是：注液量不足，影響電池質(zhì)量。

3.2 抽真空閥密封件402 鹽析結(jié)晶失效

由于密封件長期與電解液接觸，電解液鹽析出的結(jié)晶體附著在密封件上，致使抽真空腔體閥關(guān)閉不嚴(yán)，在注液期間微漏難檢測（泄漏路徑：抽真空腔體→402 密封圈→注液腔體），使電解液抽入真空腔體至真空過濾器。

后果：電解液耗用增加，注液量不足。

3.3 電池承載注電解液量的腔體容積不足

在當(dāng)初改造設(shè)備中，由于設(shè)備的速度增加一倍，擔(dān)心抽真空的時(shí)間減少一半后電池內(nèi)部不能達(dá)到預(yù)期的真空度而直接影響電解液的吸收，為此將腔體容積減小，目前空腔容積約1.2mL，而工藝要求注液體積1.4～1.6mL，在注液只有0.45s 時(shí)間段中有一部分電解液聚集在積液區(qū)（見圖3），隨電池吸收電解液中液位不斷下降，殘留的電解液粘附在抽真空與注液的公共通道內(nèi)壁，由于電解液易揮發(fā)，到下一工作周期抽真空腔體抽真空時(shí)抽走，導(dǎo)致電解液耗用增加。

圖3 抽真空注液機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

3.4 電解液的鹽析結(jié)晶體凝結(jié)在406 頂針錐度孔中，沒有完全密封，造成少量溢流現(xiàn)象

原取消加壓管路是基于注液泵注液停止后，電池吸收電解液，注液腔體內(nèi)壓力下降，417 彈簧逐步回彈，當(dāng)406 頂針錐頭頂至錐度孔時(shí)，抽真空與注液的公共通道內(nèi)的壓力由于電池繼續(xù)吸收電解液，公共通道內(nèi)的壓力繼續(xù)減小，壓差增大使406 頂針頂緊錐度孔的壓力也增大，直到打開電池口部密封前電池內(nèi)部的壓力依然高于外部大氣壓，電池密封打開后壓差繼續(xù)增大，406 頂針與錐度孔在理論上要完全密封，電解液不溢流，但電解液的鹽析結(jié)晶體凝結(jié)在錐度孔中，沒有完全密封，會出現(xiàn)少量溢流現(xiàn)象，特別是到下一工作周期抽真空腔體抽真空時(shí)抽走，電解液還會被抽走，導(dǎo)致電解液耗用增加。

3.5 壓緊彈簧的彈力不足

由于該機(jī)是CR123A 注液機(jī)改造的設(shè)備，注液時(shí)間與注液壓力都不相同（原注液時(shí)間約0.9s，現(xiàn)0.45s），改造后為加速電解液的吸收，增加注液的壓力，由于彈簧受電解液腐蝕，彈力減弱，電解液腔體內(nèi)的壓力將402、403 等整組部件頂起，使402 密封件無法密封，電解液抽入真空腔體至真空過濾器，導(dǎo)致電解液耗用增加，注液量不足。

4 改進(jìn)方案

（1）電池口部密封件失效的改進(jìn)（圖4、圖5）。

原密封件在鋼殼切口部反復(fù)壓緊密封后，密封件被切裂，使用壽命短（工作約1.2 萬次時(shí)整批更換），考慮鋼殼切口部為外翻切口，為避免鋼殼切口帶來的破壞，重新設(shè)計(jì)的密封件設(shè)計(jì)成錐度面，避免鋼殼口部正方向切裂，同時(shí)再抽真空時(shí)由于采用錐度面，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)證明，密封效果比原設(shè)計(jì)穩(wěn)定，使用工作壽命延長至5 萬次左右。增強(qiáng)了注液量的穩(wěn)定性。

圖4 原密封件簡圖

圖5 改進(jìn)后密封件簡圖

（2）抽真空閥密封件402 鹽析結(jié)晶失效問題與電池承載注電解液量的腔體容積不足問題的改進(jìn)。

兩者的問題主要來源于注液時(shí)電解液的浸泡，只要在注液時(shí)有足夠的裝載電解液的容積，不浸泡到該位置，就可合理解決，這與當(dāng)初因?yàn)閾?dān)心抽真空的時(shí)間減少一半后電池內(nèi)部不能達(dá)到預(yù)期的真空度而直接影響電解液吸收的問題相矛盾。究竟能不能增加容積，能增加多少，通過實(shí)驗(yàn)后證明：使用新的能力更強(qiáng)的真空泵后將部件202 掏空腔的結(jié)構(gòu)，空腔容積由1.2mL 增至1.6mL，滿足注液工藝要求，注液時(shí)的最高液位低于部件202 掏空腔體，使電解液不至于殘留的腔體壁上。減少了被抽真空抽走，降低了電解液的耗用。

抽真空閥密封件402 鹽析結(jié)晶失效除以上要求外，還必須解決抽真空路徑與注液路徑分離問題，增強(qiáng)注液量的穩(wěn)定性，降低電解液的耗用。

（3）電解液的鹽析結(jié)晶體凝結(jié)在406 頂針錐度孔中，沒有完全密封，造成少量溢流現(xiàn)象的改進(jìn)。

盡可能將部件406 頂針錐度孔不直接裸露在空氣中，以免造成電液的鹽析結(jié)晶。在保持部件403 原有孔徑尺寸的同時(shí)加注液針頭，針頭一端嵌入部件403 孔，另一端長度伸至與鋼殼口部齊高，以實(shí)現(xiàn)抽真空路徑與注液路徑分離。一方面使抽真空閥密封件402 不再浸泡電解液，解決電解液鹽析結(jié)晶體粘結(jié)在密封件402 問題；另一方面可緩解部件406 頂針錐度孔部位直接裸露在空氣中，造成因鹽析結(jié)晶導(dǎo)致的微漏。解決了到下一工作周期抽真空腔體在抽真空時(shí)電解液被抽走，降低電解液的耗用。

（4）部件418 上方壓緊彈簧的彈力不足的改進(jìn)。

由于部件202 增加了空腔容積，在注液時(shí)，注液腔體內(nèi)的電解液壓力下降（原注液泵壓力從50N 下降至42N左右），只要彈簧工作正常，下降后已不存在將402、403等整組部件頂起，造成402 密封件無法密封，電解液抽入真空腔體。因此彈簧彈力不變，但考慮到彈簧的銹蝕問題，改用不銹鋼材質(zhì)。徹底消除壓緊彈簧的彈力不足問題，保證密封件402 密封，阻斷電解液抽入真空腔體。減少電解液耗用，保證注液量滿足工藝要求。

5 結(jié)論

改進(jìn)后設(shè)備已運(yùn)行近一年，目前該注液機(jī)注液量穩(wěn)定，滿足工藝要求，設(shè)備的維修頻次約為原來的1/3，生產(chǎn)一只電池電解液的月平均耗用從原來的1.35 倍降低到1.21 倍左右，真空泵前端的過濾器電解液有少量積存約為原來的1/5 左右，耗用達(dá)到預(yù)期的1.1 倍是我們繼續(xù)改進(jìn)的目標(biāo)。