封口工藝對LR20電池安全性能的影響

陳國標，施斌斌，商景鵬，胡春益

［中銀(寧波)電池有限公司，浙江寧波 315040］

封口工藝對LR20電池安全性能的影響

陳國標，施斌斌，商景鵬，胡春益

［中銀(寧波)電池有限公司，浙江寧波 315040］

對LR20電池的封口工藝進行研究。與對輪軸向旋壓卷邊工藝制備的電池相比，采用盔口套壓工藝制備的LR20電池，集流體爆破壓力提高6.7%，70℃高溫漏液率降低4%，卷邊壓力提高5.9%，短路截止爆炸率降低3%，具有更好的安全性能。

LR20電池; 封口工藝; 安全性能

隨著用電器對電池性能要求的不斷提高，許多電池廠通過增加電極活性物質(zhì)量來提升電池容量;同時，無汞技術的使用導致堿性鋅錳電池存儲及使用過程的析氣量增加，在非正常使用后的安全問題更加突出。不同型號的電池存在的安全問題不盡相同:LR03和LR6電池體積小，非正常使用，往往只對用電器造成小范圍的損壞;LR20電池由于體積大、容量大，非正常使用，可能會產(chǎn)生較嚴重的安全問題。

電池的安全性能與封口工藝有著密切的關系。圓柱形堿錳電池常用的封口工藝主要有:①對輪軸向旋壓卷邊封口工藝，②三輪徑向旋壓卷邊封口工藝。對輪軸向旋壓卷邊封口工藝的防漏性能，要好于三輪徑向旋壓卷邊封口工藝［1］。本文作者主要采用盔口套壓封口工藝，研究該工藝與對輪軸向旋壓卷邊封口工藝對LR20電池安全性能的影響。

1 封口工藝

對輪軸向旋壓卷邊工藝示意圖見圖1。

圖1 對輪軸向旋壓卷邊工藝Fig.1 Axial opposite roller spinning crimping process

如圖1所示，通過負極底上方布置封口模具的高速旋轉運動(V)，使對向布置且相對固定的兩個滾輪在電池端口位置高速旋壓;同時，封口模具沿電池軸線方向進給運動(S)，使鋼殼口端部的鋼板逐漸向電池中心卷曲，緊扣住集流體進行封口，之后電池須經(jīng)過縮口工序，即用圓形凹模對封口部位進行強力套壓，使封口部位鋼殼口的外徑略微縮小，密封圈隨之受到壓縮，各機械零件緊密配合，封口部位得到密封。

盔口套壓卷邊工藝示意圖見圖2。

圖2 盔口套壓工藝Fig.2 Helmet pressing process

如圖2所示，電池負極底上方布置的圓形凹模對裝配了集流體的鋼殼口端部進行電池軸線方向的進給運動(S)，使鋼殼口端部的鋼板逐漸向電池中心卷曲，緊扣住集流體進行封口。之后，繼續(xù)進給，完成封口部位的強力套壓，使封口部位進一步縮小，密封圈受到壓縮，封口部位得以密封。由于凹模存在向下尖端(A)，使電池鋼殼端部與密封圈得以更加緊密的結合。

2 實驗

2.1 樣品制備

選取同一批次LR20鋼殼(寧波產(chǎn))和集流體(寧波產(chǎn))，在本公司生產(chǎn)線上對鋼殼進行正極環(huán)嵌入、刻線和涂布處理，對半成品電池分兩種方式，用相同的尺寸工藝制備樣品:①將半成品電池直接插入集流體進行封口處理，其中對輪軸向旋壓卷邊封口的電池樣品記為S1，盔口套壓封口的電池樣品記為S2，用于爆破壓力測試;②將半成品電池插入隔膜紙、注入電解液、注入鋅膏并插入集流體后，進行封口處理，其中對輪軸向旋壓卷邊封口的電池樣品記為S3，盔口套壓封口的電池樣品記為S4，用于安全性能(防漏、防爆)測試。

2.2 電池爆破壓力測試

電池爆破壓力測試設備由本公司自制，示意圖見圖3。

圖3 電池爆破壓力測試儀器示意圖Fig.3 Schematic diagram of the instrument for battery bursting pressure test

電池爆破壓力分為集流體爆破壓力和電池卷邊壓力(密封圈無安全閥)。

測試原理:先對電池鋼殼打孔(φ約為3 mm，電池不能明顯變形)，然后將電池固定在測試儀器的凹槽中并密封，以恒定的速率通入高壓氣體給樣品充氣，當樣品里面的氣體壓力超過電池集流體爆破壓力或電池卷邊壓力時，氣體通過缺口溢出，記錄壓力表的最高讀數(shù)即為電池的爆破壓力。

2.3 防漏性能測試

選取電池樣品 S3、S4各100只，置于 SEG-041高溫箱(上海產(chǎn))中，溫度設定為70℃，每隔一段時間在電池負極端噴施酚酞指示劑(溫州產(chǎn)，AR)，確定電池的漏液情況。

2.4 防爆性能測試

選取電池樣品S3、S4，進行不正確安裝(5組共20只)和短路(5只)項目測試，測試方法均采用IEC60086-5標準［2］，記錄電池在不正確安裝和短路后的爆炸率。

考慮到部分電池發(fā)生短路斷開后，消費者未及時處理，采用短路截止項目模擬電池的防爆性能測試，具體方法為:將制備的100只樣品電池直接短路24 h后斷開，放置10 d，每隔1 d記錄電池的爆炸率。

3 結果與討論

3.1 爆破壓力

不同封口工藝制備的電池卷邊壓力測試結果見表1。

表1 不同封口工藝制備的電池卷邊壓力Table 1 Crimping pressure of the batteries prepared by different sealing process

從表1可知，電池樣品S1、S2的卷邊壓力平均值分別為5.12 MPa、5.42 MPa，測試的標準偏差分別為 0.08、0.03，說明封口工藝對電池卷邊壓力有一定的影響?？谔讐汗に嚨木磉厜毫Ρ葘嗇S向旋壓卷邊工藝高5.9%，可能的原因是:采用對輪軸向旋壓卷邊時，滾輪與鋼殼存在反復的擠壓運動，使鋼殼產(chǎn)生復雜反復的彈性形變，對鋼殼產(chǎn)生一定的損傷;采用盔口套壓工藝不存在這種反復擠壓的作用;對輪軸向卷邊封口工藝在對電池鋼殼進行旋壓過程中，依靠滾輪相對電池軸線方向的位置變化來達到滾輪的徑向進給目的，由于兩個滾輪實際存在少許差異，導致旋壓作用力的大小不均;而盔口套壓工藝采用整體模具直接對鋼殼進行縮口、套壓，鋼殼表面受力均勻，可能是爆破壓力均勻性優(yōu)于對輪軸向旋壓卷邊制備的電池的一個重要原因。

不同封口工藝下電池集流體爆破壓力測試結果見表2。

表2 不同封口工藝制備的電池集流體爆破壓力Table 2 Bursting pressure for current collectors of the batteries prepared by different sealing process

從表2可知，電池樣品S1、S2的集流體爆破壓力平均值分別為 2.99 MPa、3.19 MPa，標準偏差分別為 0.09、0.05，說明封口工藝對集流體爆破壓力也有一定的影響?？谔讐汗に嚨募黧w爆破壓力比對輪軸向旋壓卷邊工藝高6.7%，可能的原因是:對輪軸向旋壓進行卷邊時，滾輪與鋼殼存在反復的擠壓運動，通過鋼殼對密封圈產(chǎn)生復雜反復的彈性形變，使得密封圈受到反復多次的擠壓作用，密封圈的安全閥受到一定的損傷，而盔口套壓工藝不存在這種反復擠壓。

3.2 漏液率

電池在70℃高溫箱中儲存，放置到第8周時，電池樣品S3開始發(fā)生漏液，電池樣品S4未發(fā)生漏液;放置到第9周時，電池樣品S3的漏液率為5%，電池樣品S4的漏液率僅為1%。解剖漏液電池發(fā)現(xiàn):安全閥已開啟，內(nèi)部正常，說明漏液是密封圈高溫老化破裂造成的。

結合表2的結果可知，盔口套壓工藝制備的電池密封圈安全閥不易損傷，因此70℃高溫儲存漏液率比對輪軸向旋壓卷邊工藝制備的電池低4%。

3.3 防爆性能

兩種電池經(jīng)不正確安裝、短路項目安全性能測試，均未爆炸，說明安全性能符合IEC60086-5標準的要求。

電池短路截止后放置，前9 d均未發(fā)生爆炸，放置10 d時，電池樣品S3、S4的爆炸率分別為3%、0。解剖爆炸電池發(fā)現(xiàn)，卷邊均已翻開、密封圈完整、安全閥未開啟，結合表1的結果可知，電池短路截止爆炸情況和電池卷邊壓力大小有關，卷邊壓力大的電池在短路截止項目測試中的安全性更好。

4 結論

盔口套壓工藝制備的LR20電池與對輪軸向旋壓卷邊工藝相比，電池集流體爆破壓力提高6.7%，電池70℃高溫漏液率降低4%，電池卷邊壓力提高5.9%，電池短路截止爆炸率降低3%。

總體而言，盔口套壓工藝制備的LR20電池安全性能優(yōu)于對輪軸向旋壓卷邊工藝制備的電池。參考文獻:

［1］LOU Xiao-tian(樓曉天).LR6電池徑向旋壓封口的密封特性［J］.Battery Bimonthly(電池)，2013，43(4):229 －231.

［2］IEC 60086-5:2011，Primary Batteries– Part 5:Safety of Batteries with Aqueous Electrolyte［S］.

Effects of sealing process on safety performance of LR20 battery

CHEN Guo-biao，SHI Bin-bin，SHANG Jing-peng，HU Chun-yi
［Zhongyin(Ningbo)Battery Co.，Ltd.，Ningbo，Zhejiang 315040，China］

Sealing process for LR20 battery was studied.Compared to the battery with axial feed opposite roller spinning crimping process，the bursting pressure for current collector of the LR20 battery sealed by helmet pressing process was increased by 6.7% ，high-temperature leakage rate at high temperature 70℃ was decreased by 4%，crimpling pressure was increased by 5.9%，the short-circuit cut-off bursting rate was decreased by 3%，the safety performance was demonstrated.

LR20 battery; sealing process; safety performance

TM911.47

A

1001－1579(2014)03－0168－03

陳國標(1970－)男，浙江人，中銀(寧波)電池有限公司高級工程師，研究方向:電池工藝及檢測，本文聯(lián)系人;

施斌斌(1985－)男，浙江人，中銀(寧波)電池有限公司助理工程師，研究方向:電池工藝;

商景鵬(1976－)男，浙江人，中銀(寧波)電池有限公司高級工程師，研究方向:電池工藝;

胡春益(1987－)女，浙江人，中銀(寧波)電池有限公司助理工程師，研究方向:電池工藝。

2014－05－14