熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法

閆 雷，許 彬，尚筱萌，王勝華，李 陽(yáng)

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)第四軍代室，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著武器裝備發(fā)展需求的牽引和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)，智能引信、靈巧彈藥等成為各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)[1-4]。因?yàn)橐磐庑尾荒苡写蟮淖兓略龉δ苄枰b入更多的零部件，且功耗更大，因此往往給熱電池[5]分配的預(yù)安裝區(qū)域?yàn)楫愋慰臻g，且要求電池體積比能量高。現(xiàn)有的單元電池成形方法只能壓制圓片形單元電池，再組裝成圓柱形熱電池。對(duì)于異形空間采用圓柱形熱電池并聯(lián)電池組裝入，但因無(wú)法完全與異形空間配合而造成空間浪費(fèi)，導(dǎo)致電池體積比能量低，無(wú)法滿足要求。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了熱電池薄膜化研究，將幾種電極粉料利用粘合劑涂覆在基底上，再?zèng)_制成所需要的異形形狀，組裝成異形熱電池，但還不成熟。文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了熱電池粉末壓制成形的有限元模擬和研究，利用有限元軟件模擬了粉末壓片過(guò)程，做出了理論分析，但沒(méi)有指出具體的異形單元電池的壓制方法。針對(duì)現(xiàn)有圓柱形熱電池并聯(lián)電池組無(wú)法充分利用異形空間，導(dǎo)致體積比能量低，無(wú)法滿足使用要求的問(wèn)題，本文提出熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法。

1 現(xiàn)有圓片形單元電池成形方法

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外熱電池的主導(dǎo)產(chǎn)品為鋰硅合金/二硫化鐵體系熱電池。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上為圓柱形，內(nèi)部裝有若干組單元電池，單元電池為圓片狀[8]。其制造工藝是將負(fù)極粉倒入由底座和壓套組成的圓形空腔內(nèi)，再裝入壓頭并旋轉(zhuǎn)若干圈，使粉料均勻鋪平，然后送至壓力機(jī)下加壓成形為薄片。用同樣的方法繼續(xù)壓制電解質(zhì)粉、正極粉，最終形成三合一的圓片狀單元電池[9]， 其成形示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 圓形單元電池成形過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of forming process of round cell battery

此方法無(wú)法完成異形單元電池中負(fù)極、電解質(zhì)、正極粉末的均勻鋪平、分層壓制的問(wèn)題。若各層不均勻平整則會(huì)造成互相滲漏混合，導(dǎo)致內(nèi)短路出現(xiàn)，從而導(dǎo)致電池失效。

2 熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法

熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法，是利用模具上的螺旋曲面將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上下位移，從而調(diào)節(jié)孔深，將物料刮平后再壓制成形的方法。包含一套螺旋刮平式異形單元電池壓制模具及與之配套的成形工藝，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。底座圓孔向上放置，下旋環(huán)螺旋曲面向上裝入底座內(nèi)，上旋環(huán)螺旋曲面向下裝在下旋環(huán)上，并使二者曲面配合。壓柱下端為圓柱形裝入上旋環(huán)內(nèi)，上端為異形柱，裝入壓套的異形孔內(nèi)。壓套圓環(huán)面向下，放在上旋環(huán)的上圓環(huán)面上。

圖2 異形單元電池成形工藝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of special-shaped cell battery forming process

工藝過(guò)程為：轉(zhuǎn)動(dòng)把手帶動(dòng)下旋環(huán)、上旋環(huán)沿著螺旋曲面相向轉(zhuǎn)動(dòng)，上旋環(huán)沿著螺旋曲面向上運(yùn)動(dòng)，從而推高壓套，使其上表面高于壓柱上表面，形成異形孔；在此孔內(nèi)倒入負(fù)極，用刮板刮平粉料；反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)下旋環(huán)、上旋環(huán)調(diào)整異形孔深度，并刮平負(fù)極粉，直至負(fù)極粉完全鋪滿異形孔并與壓套上表面平齊，負(fù)極粉完全裝平。同理，裝入并刮平電解質(zhì)和正極粉料，轉(zhuǎn)動(dòng)把手推高壓套，裝入壓蓋；放在液壓機(jī)下壓制成形；取下壓蓋，放上退模環(huán)，在液壓機(jī)下退模，就可制成片狀異形單元電池。此異形單元電池的面積大于并聯(lián)電池組一層單元電池的面積總和。

將用熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法制備的異形單元電池疊層堆放就可組裝出與異形空間完全匹配的異形熱電池。根據(jù)需求設(shè)計(jì)不同形狀的壓柱上端的異形柱和壓套的異形孔，則可拓展應(yīng)用于不同的異形空間。

3 仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 異形單元電池強(qiáng)度仿真

設(shè)電池后坐過(guò)載為10 000g。在實(shí)際裝配異形電池堆為預(yù)壓后，壓緊裝配，且側(cè)面與側(cè)保溫層為緊配合，因此可以認(rèn)為周邊和底面固定。加載垂直于底面的作用力，則加速度為a=1×105m/s2。

單元電池各組分的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)表1可看出各材料間的參數(shù)變化不大，且分層刮平，一次壓制，在各層中間有兩種物質(zhì)互相嵌入的過(guò)渡層，能有效解決單元電池的分層失效問(wèn)題。因此，可做平均后，按單一層，做簡(jiǎn)化模型處理。通過(guò)計(jì)算可以得到平均參數(shù)為：楊氏模量E=18 000 MPa，泊松比0.3，密度ρ=2.93 g/cm3。用ANSYS軟件對(duì)單元電池進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，可得以下分析結(jié)果見(jiàn)圖3—圖5。

表1 單元電池各組分材料力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Table of mechanical parameters of each component of special-shaped cell battery

圖3 異形單元電池應(yīng)變圖Fig.3 The strain diagram of special-shaped cell battery

圖4 異形單元電池應(yīng)力分析圖Fig.4 The stress analysis chart of special-shaped cell battery

圖5 異形單元電池整體變形情況Fig.5 Overall deformation of special-shaped cell battery

從結(jié)果圖可以看出，單元電池各處的應(yīng)變范圍為：4.98×10-7～7.36×10-5，應(yīng)變量很小。單元電池各處的應(yīng)力范圍為：0.009～1.33 MPa, 應(yīng)力量很小。單元電池的邊緣部分為石棉紙阻流環(huán)，為半塑性材料，不考慮其變形情況，因此不做仿真分析，其變形量最小，整體變形范圍為：0～3.85×10-5mm,變形量極小。因此，異形單元電池可以經(jīng)受住10 000g的直線過(guò)載。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用兩種電池各4發(fā)，共8發(fā)。A組：采用原有方法制備圓片形單元電池，分別裝配三顆獨(dú)立的圓柱型分電池，封裝于異形空間內(nèi)，通過(guò)接電螺母和焊盤(pán)并聯(lián)為電池組。B組：采用熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法制備異形單元電池，并裝配為異形熱電池。試驗(yàn)電池均為鋰硅合金/二硫化鐵體系，采用鐵加熱劑，16單元疊層裝配。

3.2.1強(qiáng)度試驗(yàn)

將熱電池裝入裝用夾具中后，安裝在馬歇特錘擊機(jī)上，進(jìn)行23齒帶5 mm橡皮錘擊(已事先用傳感器標(biāo)定，過(guò)載約10 000g)，錘擊過(guò)后檢測(cè)絕緣電阻、激活回路電阻、外觀，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The result of strength test

從表2 可以看出，經(jīng)過(guò)1.5 m跌落、運(yùn)輸振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)，A方案與B方案的絕緣電阻、激活回路電阻均無(wú)異常出現(xiàn)，說(shuō)明兩種方案都可以經(jīng)受住惡劣環(huán)境及勤務(wù)運(yùn)輸。但A2電池出現(xiàn)運(yùn)輸振動(dòng)后接電螺母松動(dòng)與焊盤(pán)分離的情況，這會(huì)造成線路連接不牢固導(dǎo)致的不激活或電壓無(wú)輸出的故障。而B(niǎo)方案因無(wú)需并聯(lián)，采用帶孔接線柱穿線焊接的方式，則不存在上述問(wèn)題，即在環(huán)境適應(yīng)性上要優(yōu)于A方案。

3.2.2高、低溫放電試驗(yàn)

將兩組電池放入高、低溫試驗(yàn)箱中保溫4 h，激活熱電池，進(jìn)行高低溫放電試驗(yàn)，用HIKO8855數(shù)據(jù)采集儀記錄放電曲線并讀數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高、低溫放電試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The result of discharge test at high temperature and low temperature

從表3可以看出B方案熱電池比A方案熱電池在電性能方面都有很大提高。兩者比較，最高電壓平均值分別為30.55 V、31.1 V,提高了1.8%；工作時(shí)間平均值分別為115.28 s、192.85 s，增加了67%。在相同負(fù)載的情況下，電池體積比能量提升了約67%。因此B方案熱電池對(duì)比A方案具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且數(shù)據(jù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較小，一致性高。

4 結(jié)論

本文提出了熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法。該方法利用模具上的螺旋曲面將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為上下位移，從而調(diào)節(jié)孔深，將物料刮平后再壓制成形的方法，以充分利用異形空間，提高體積比能量。仿真及試驗(yàn)表明：此方法成形的異形單元電池可經(jīng)受10 000g的過(guò)載；基于此方法制備的異形熱電池對(duì)比原有的圓柱形并聯(lián)電池組，最高電壓平均值分別為31.1 V、30.55 V,提高了1.8%；工作時(shí)間平均值分別為192.85 s、115.28 s，增加了67%。解決了現(xiàn)有圓柱形熱電池并聯(lián)電池組無(wú)法充分利用異形空間，導(dǎo)致體積比能量低而無(wú)法滿足使用要求的問(wèn)題。