封口耐壓強度檢測在電池安全控制中的應用

樓曉天，吳杭軍，劉軍平

(橫店集團東磁股份有限公司，浙江金華 322118)

作為廣泛使用的日常消費品，堿性鋅錳(堿錳)電池的安全性能受到人們的高度重視。為保證安全，現有技術多在密封圈上設置安全閥，以在電池體內部氣壓高于設計值時打開泄壓。為保證密封圈安全閥先于電池密封體屈服破壞，電池密封體本身的耐壓強度應高于密封圈安全閥的破壞強度。在密封圈安全閥失效的情況下，電池的爆炸多以密封體上的封口結構［1］在內部高氣壓作用下受到破壞為特征，因此，檢測封口結構的耐壓強度，對電池的安全控制有重要意義。

由于各種原因，堿錳電池存在可能爆炸的風險，為提高安全水平，有必要在電池產品制造過程中，進行準確高效的安全質量控制。GB 8897.5-2006《原電池第五部分》［2］規定了水溶液電解質原電池的安全性能要求和檢驗方法，這些檢驗方法可定性地確定電池的安全質量情況。現有技術中，在電池中插入一個壓力傳感器，記錄充電過程中的壓力變化，測得電池的內壓;也可用傳感器測量充電過程中電池外殼的微小變化，計算電池內壓［3］。這些方法比較復雜，用于耐壓強度測試安全性差，不方便生產過程的質量控制，因此有必要引入安全簡便的定量檢測方法。

本文作者介紹了一種檢測電池封口耐壓強度的水壓法，討論了電池封口耐壓強度檢測在保證電池安全性能質量中所起的作用;對比實測了封口部位有無額外刻線情況下，密封圈安全閥經失效處理的LR6電池的封口耐壓強度。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗使用LR6電池，鋼殼的擴口部位外徑為14.2 mm，材料為0.25 mm厚的SPCEN鋼帶(日本產，本地沖制);密封圈外徑為13.68 mm，材料為尼龍FE3734(美國產，本地注塑成形)，檢驗確認密封圈安全閥的耐壓強度為55～85 kPa。向部分密封圈底面灌注環氧樹脂(AB膠，浙江產，工業級)，靜置2 h以上，使密封圈的安全閥失效;負極底蓋外徑為12.44 mm，材料為0.25 mm厚的SPCE鋼帶(日本產，本地沖制)，分別用安全閥正常的密封圈和安全閥失效的密封圈裝配集流體。

1.2 電池制備

實驗用電池以三輪徑向旋壓卷邊封口工藝［4］制造，封口部位外周上的刻線可由卷邊輪上的凸筋在旋壓過程中壓出。帶刻線的卷邊封口工藝示意圖見圖1。

圖1 帶刻線的旋壓卷邊封口工藝示意圖Fig.1 Diagram of roller spinning with beading crimping process

使用AA型電池規格封口設備(加拿大產)上的同一個卷邊工位，用同一組帶突筋的3個卷邊輪，按正常生產工藝旋壓卷邊封口，制得在封口部位外周上有刻線的LR6電池，刻線深度為0.1 mm，記為樣品S1;拆下前述卷邊工位上的3個卷邊輪，將各卷邊輪工作面上的凸筋車削去除后裝回原位，按正常生產工藝卷邊封口，制得在封口部位外周上無刻線的LR6電池，記為樣品S2。旋壓卷邊后，樣品S1、S2封口部位的外徑為14.0 mm。所有樣品電池均用該封口設備上的同一整形模，壓縮電池封口部位的外徑為13.97 mm。樣品S1、S2使用安全閥失效的密封圈。

使用安全閥正常的密封圈，制作封口結構分別與樣品S1、S2 相同的樣品 S3、S4。

制備兩種不同封口結構的樣品電池時，保證卷邊輪的安裝尺寸位置相同。車削去除卷邊輪工作面上凸筋的過程中，不損傷卷邊輪工作面的其他部位。制作各樣品電池時，保證設備處于一致的正常生產轉速。樣品S1、S2，電池內均無負極、電解液和隔離管，樣品S3、S4，電池電化學工藝與日常正常生產的電池一致。

1.3 電池封口耐壓強度測量

圓柱形堿錳電池的封口耐壓強度測試原理見圖2。

圖2 電池封口耐壓強度測試原理示意圖Fig.2 Diagram of decrimping pressure test of a battery

如圖2所示，水壓法電池封口耐壓強度的測試原理為:被測試電池的鋼殼上壁開有一個小孔，電池體作為柱塞插入一個內部有兩道O形密封圈的圓孔內，高壓水通過鋼殼壁上的小孔導入電池體內。導入電池體內的高壓水使集流體受到一個往外的、擠推電池封口部位鋼殼卷邊的推壓力。如果沒有安全泄壓措施，隨著電池體內水壓力的升高，鋼殼的卷邊最終會被集流體推直。由于失去鋼殼卷邊的鎖扣作用，集流體會從電池體上爆脫。測出該過程中高壓水的壓力峰值，即可反映出電池的封口耐壓強度。

實際測試步驟為:在樣品S1、S2電池柱身上的一定位置，在AA電池穿孔夾具(加拿大產)里用尖錐穿刺一個直徑為3 mm的小孔;插入AA型電池封口強度測試儀(加拿大產)的測試工位內;打開高壓氣源，氣源壓力150 kPa，流量為2 L/min，經氣液轉換，高壓水導入被測電池體，直到集流體從電池體上爆脫;從PG5000-3000型峰值保持數顯壓力表(美國產，精度±0.25%)讀出測試過程的壓力峰值。

1.4 電池反充實驗

模擬電池不正確安裝使用時，電池被充電而產生大量內部氣體情況下的安全性能。按GB 8897.5-2006中6.3.2.1款規定的實驗條件［2］，分別將樣品S3和樣品S4電池以4只為1組串聯連接，其中1只反向連接，接通回路實驗，觀察是否發生爆炸或泄漏。樣品S3、S4分別實驗20組。

1.5 電池封口部位鋼殼內表面的形貌觀察

割切樣品S1電池的卷邊封口部位，用S-3000N型掃描電子顯微境(日本產)對鋼殼小片的內表面進行SEM分析。

2 結果與討論

2.1 封口耐壓強度

樣品電池的設計封口耐壓強度為110～140 kPa，密封圈安全閥的設計耐壓強度為55～85 kPa。刻線有無情況下測得的電池封口耐壓強度見表1。

表1 刻線有無情況下電池的封口耐壓強度Table 1 Decrimping pressures of the batteries with or without extra beading

從表1可知，樣品S1、S2的實測封口耐壓強度分別為120.2～128.3 kPa和117.0～127.4 kPa，均在電池封口耐壓強度的設計范圍內，與密封圈安全閥的耐壓強度之間有充足的間隔，可保證密封圈安全閥先于電池封口屈服泄壓，電池不會有爆炸的危險。

樣品1的封口部位有額外的刻線，使該部位的鋼殼內表面的一部分被擠入與之配合的密封圈內，鋼殼對集流體產生一定的鎖扣作用，因此有刻線電池的封口耐壓強度高于無刻線的電池。從表1可知，在可比條件下，封口部位的刻線僅使封口耐壓強度的平均值增加2%，變化量被實測數據的離散性淹沒。數值增加較小的原因是刻線深度僅為0.1 mm，而密封圈塑料的強度低，容易產生塑性變形，相對于較高的鋼殼卷邊的鎖扣作用力，刻線產生的鎖扣作用力顯得較弱。

本文作者采用的檢測電池封口耐壓強度的水壓法，參照了工程實踐中普遍采用的液壓實驗代替氣壓實驗的方法。以液態水代替氣體作為介質，通過控制壓力和流量，可獲得平穩的測試過程，避免了安全風險，得到穩定可靠的實驗結果。利用圓柱形電池的柱身作為工具，通過電池體側面的開孔導入高壓水，使得測試裝置較簡約。包括將試樣裝入和退出測試裝置等步驟在內，單只電池測試過程所需的時間可短于6 s，測試結果可從峰值保持數顯壓力表上直接讀出。

電池旋壓封口時，鋼殼的開口端被卷曲，將鋼殼和插入其中的集流體扣合在一起。此處形成了一個封口結構，使電池成為一個密封體。在異常情況下，電池內部產生的大量氣體在有限空間內形成高壓，如果得不到安全地泄放，電池就可能爆炸。作為電池體容器的鋼殼材料具有很高的強度，通常情況下，在內部高氣壓的作用下，即使產生很大的氣脹變形量，也不至于破裂;實際的爆炸過程多是封口結構在內部的高氣壓作用下發生屈服破壞，爆炸時，集流體和電池內部的物質噴發出來。電池封口耐壓強度檢測的必要性，即源自于圓柱形鋼殼電池爆炸時所呈現的這些特征，而封口耐壓強度直接關系到電池的防爆安全性能。

為保證電池密封圈安全閥先于封口結構屈服，它的設計最低值p封min應高于密封圈安全閥耐壓強度設計最高值p密max，并有一個安全裕度 p裕，即:

在密封圈安全閥失效的情況下，電池的封口耐壓強度越高，爆炸就會越強烈，因此必須限制電池封口強度的最高值。參照本公司生產經驗，電池封口的卷邊卷曲程度和外徑等幾何參數的細小改變，就會對封口耐壓強度帶來顯著的影響。要保證電池產品安全性能質量，簡便快捷地定量檢測安全性能相關的數據十分重要。

2.2 電池反充實驗

樣品S3、S4電池反充實驗結果為:共40組4只電池串聯連接的電池中，被反向連接的電池全部因密封圈安全閥屈服而漏液，沒有發生爆炸。實驗結果表明:相同封口條件的電池，如果定量檢測結果確定封口耐壓強度符合要求，定性的反充實驗也能表明它們符合安全性能要求，兩種實驗方法得到相互印證。生產中，采用本方法進行電池產品安全性能質量控制是可行的。

2.3 封口部位鋼殼內表面的SEM圖

帶刻線的電池封口部位鋼殼內表面SEM圖見圖3。

圖3 電池封口部位鋼殼內表面的SEM圖Fig.3 SEM photographs of inner surface of steel cans in battery sealing area

從圖3可知，電池封口部位額外的刻線，使該部位鋼殼內表面的裂紋明顯比它的鄰近部位嚴重。在旋壓加工額外的刻線時，局部鋼殼材料受到強烈的擠壓作用，產生了顯著的局部塑性形變，形成容易構成毛細通道的豐富裂紋，它對電池的防漏不利［4］。

結合封口強度測試結果可以認為:電池封口部位額外的刻線，并沒有存在的充分必要性。

3 結論

在無泄壓條件下，以電池鋼殼柱身為工具體，經電池鋼殼側壁上的開孔導入高壓水，測定電池封口屈服破壞時的水壓力，可用于反映電池的封口耐壓強度。水壓法可安全高效地得到直觀穩定的測試數據。定量的電池封口耐壓強度檢測，可用于堿性鋅錳電池產品的安全性能質量控制。

在本實驗條件下，測得的LR6電池封口耐壓強度值，在封口部位有額外刻線情況下為120.2～128.3 kPa，無額外刻線情況下為117.0～127.4 kPa，均在設計范圍110～140 kPa內，在密封圈安全閥耐壓強度處于55～85 kPa的設計范圍內時，可保證電池的防爆安全。

LR6電池封口處0.1 mm深的額外刻線結構，使封口耐壓強度增加約2%，對該部位鋼殼的內表面有損害，在沒有存在必要的情況下，可以考慮去除。

［1］GE De-hui(葛德輝)，GAO Xiao-yue(高效岳).堿性鋅錳電池封口新結構［J］.Battery Bimonthly(電池)，1995，25(4):174－176.

［2］GB8897.5-2006，原電池第五部分:水溶液電解質電池的安全要求［S］.

［3］China Federation of Industrial Economics Academic Department(中國工業經濟聯合會學術部).電池技術標準應用手冊［M］.Beijing(北京):China Logistics Publishing House(中國物資出版社)，2005.52－53.

［4］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.