封口耐壓強(qiáng)度檢測(cè)在電池安全控制中的應(yīng)用

樓曉天，吳杭軍，劉軍平

(橫店集團(tuán)東磁股份有限公司，浙江金華 322118)

作為廣泛使用的日常消費(fèi)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(xiàn)有技術(shù)多在密封圈上設(shè)置安全閥，以在電池體內(nèi)部氣壓高于設(shè)計(jì)值時(shí)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(qiáng)度應(yīng)高于密封圈安全閥的破壞強(qiáng)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(jié)構(gòu)［1］在內(nèi)部高氣壓作用下受到破壞為特征，因此，檢測(cè)封口結(jié)構(gòu)的耐壓強(qiáng)度，對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，為提高安全水平，有必要在電池產(chǎn)品制造過程中，進(jìn)行準(zhǔn)確高效的安全質(zhì)量控制。GB 8897.5-2006《原電池第五部分》［2］規(guī)定了水溶液電解質(zhì)原電池的安全性能要求和檢驗(yàn)方法，這些檢驗(yàn)方法可定性地確定電池的安全質(zhì)量情況?，F(xiàn)有技術(shù)中，在電池中插入一個(gè)壓力傳感器，記錄充電過程中的壓力變化，測(cè)得電池的內(nèi)壓;也可用傳感器測(cè)量充電過程中電池外殼的微小變化，計(jì)算電池內(nèi)壓［3］。這些方法比較復(fù)雜，用于耐壓強(qiáng)度測(cè)試安全性差，不方便生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，因此有必要引入安全簡(jiǎn)便的定量檢測(cè)方法。

本文作者介紹了一種檢測(cè)電池封口耐壓強(qiáng)度的水壓法，討論了電池封口耐壓強(qiáng)度檢測(cè)在保證電池安全性能質(zhì)量中所起的作用;對(duì)比實(shí)測(cè)了封口部位有無額外刻線情況下，密封圈安全閥經(jīng)失效處理的LR6電池的封口耐壓強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用LR6電池，鋼殼的擴(kuò)口部位外徑為14.2 mm，材料為0.25 mm厚的SPCEN鋼帶(日本產(chǎn)，本地沖制);密封圈外徑為13.68 mm，材料為尼龍F(tuán)E3734(美國(guó)產(chǎn)，本地注塑成形)，檢驗(yàn)確認(rèn)密封圈安全閥的耐壓強(qiáng)度為55～85 kPa。向部分密封圈底面灌注環(huán)氧樹脂(AB膠，浙江產(chǎn)，工業(yè)級(jí))，靜置2 h以上，使密封圈的安全閥失效;負(fù)極底蓋外徑為12.44 mm，材料為0.25 mm厚的SPCE鋼帶(日本產(chǎn)，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(shí)驗(yàn)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(guī)格封口設(shè)備(加拿大產(chǎn))上的同一個(gè)卷邊工位，用同一組帶突筋的3個(gè)卷邊輪，按正常生產(chǎn)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(gè)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(chǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)分別與樣品S1、S2 相同的樣品 S3、S4。

制備兩種不同封口結(jié)構(gòu)的樣品電池時(shí)，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(shí)，保證設(shè)備處于一致的正常生產(chǎn)轉(zhuǎn)速。樣品S1、S2，電池內(nèi)均無負(fù)極、電解液和隔離管，樣品S3、S4，電池電化學(xué)工藝與日常正常生產(chǎn)的電池一致。

1.3 電池封口耐壓強(qiáng)度測(cè)量

圓柱形堿錳電池的封口耐壓強(qiáng)度測(cè)試原理見圖2。

圖2 電池封口耐壓強(qiáng)度測(cè)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(qiáng)度的測(cè)試原理為:被測(cè)試電池的鋼殼上壁開有一個(gè)小孔，電池體作為柱塞插入一個(gè)內(nèi)部有兩道O形密封圈的圓孔內(nèi)，高壓水通過鋼殼壁上的小孔導(dǎo)入電池體內(nèi)。導(dǎo)入電池體內(nèi)的高壓水使集流體受到一個(gè)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(nèi)水壓力的升高，鋼殼的卷邊最終會(huì)被集流體推直。由于失去鋼殼卷邊的鎖扣作用，集流體會(huì)從電池體上爆脫。測(cè)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(qiáng)度。

實(shí)際測(cè)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(chǎn))里用尖錐穿刺一個(gè)直徑為3 mm的小孔;插入AA型電池封口強(qiáng)度測(cè)試儀(加拿大產(chǎn))的測(cè)試工位內(nèi);打開高壓氣源，氣源壓力150 kPa，流量為2 L/min，經(jīng)氣液轉(zhuǎn)換，高壓水導(dǎo)入被測(cè)電池體，直到集流體從電池體上爆脫;從PG5000-3000型峰值保持?jǐn)?shù)顯壓力表(美國(guó)產(chǎn)，精度±0.25%)讀出測(cè)試過程的壓力峰值。

1.4 電池反充實(shí)驗(yàn)

模擬電池不正確安裝使用時(shí)，電池被充電而產(chǎn)生大量?jī)?nèi)部氣體情況下的安全性能。按GB 8897.5-2006中6.3.2.1款規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件［2］，分別將樣品S3和樣品S4電池以4只為1組串聯(lián)連接，其中1只反向連接，接通回路實(shí)驗(yàn)，觀察是否發(fā)生爆炸或泄漏。樣品S3、S4分別實(shí)驗(yàn)20組。

1.5 電池封口部位鋼殼內(nèi)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(chǎn))對(duì)鋼殼小片的內(nèi)表面進(jìn)行SEM分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 封口耐壓強(qiáng)度

樣品電池的設(shè)計(jì)封口耐壓強(qiáng)度為110～140 kPa，密封圈安全閥的設(shè)計(jì)耐壓強(qiáng)度為55～85 kPa。刻線有無情況下測(cè)得的電池封口耐壓強(qiáng)度見表1。

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

從表1可知，樣品S1、S2的實(shí)測(cè)封口耐壓強(qiáng)度分別為120.2～128.3 kPa和117.0～127.4 kPa，均在電池封口耐壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，與密封圈安全閥的耐壓強(qiáng)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(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。

樣品1的封口部位有額外的刻線，使該部位的鋼殼內(nèi)表面的一部分被擠入與之配合的密封圈內(nèi)，鋼殼對(duì)集流體產(chǎn)生一定的鎖扣作用，因此有刻線電池的封口耐壓強(qiáng)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(qiáng)度的平均值增加2%，變化量被實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的離散性淹沒。數(shù)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(qiáng)度低，容易產(chǎn)生塑性變形，相對(duì)于較高的鋼殼卷邊的鎖扣作用力，刻線產(chǎn)生的鎖扣作用力顯得較弱。

本文作者采用的檢測(cè)電池封口耐壓強(qiáng)度的水壓法，參照了工程實(shí)踐中普遍采用的液壓實(shí)驗(yàn)代替氣壓實(shí)驗(yàn)的方法。以液態(tài)水代替氣體作為介質(zhì)，通過控制壓力和流量，可獲得平穩(wěn)的測(cè)試過程，避免了安全風(fēng)險(xiǎn)，得到穩(wěn)定可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用圓柱形電池的柱身作為工具，通過電池體側(cè)面的開孔導(dǎo)入高壓水，使得測(cè)試裝置較簡(jiǎn)約。包括將試樣裝入和退出測(cè)試裝置等步驟在內(nèi)，單只電池測(cè)試過程所需的時(shí)間可短于6 s，測(cè)試結(jié)果可從峰值保持?jǐn)?shù)顯壓力表上直接讀出。

電池旋壓封口時(shí)，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(gè)封口結(jié)構(gòu)，使電池成為一個(gè)密封體。在異常情況下，電池內(nèi)部產(chǎn)生的大量氣體在有限空間內(nèi)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(qiáng)度，通常情況下，在內(nèi)部高氣壓的作用下，即使產(chǎn)生很大的氣脹變形量，也不至于破裂;實(shí)際的爆炸過程多是封口結(jié)構(gòu)在內(nèi)部的高氣壓作用下發(fā)生屈服破壞，爆炸時(shí)，集流體和電池內(nèi)部的物質(zhì)噴發(fā)出來。電池封口耐壓強(qiáng)度檢測(cè)的必要性，即源自于圓柱形鋼殼電池爆炸時(shí)所呈現(xiàn)的這些特征，而封口耐壓強(qiáng)度直接關(guān)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(jié)構(gòu)屈服，它的設(shè)計(jì)最低值p封min應(yīng)高于密封圈安全閥耐壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)最高值p密max，并有一個(gè)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(qiáng)度越高，爆炸就會(huì)越強(qiáng)烈，因此必須限制電池封口強(qiáng)度的最高值。參照本公司生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，電池封口的卷邊卷曲程度和外徑等幾何參數(shù)的細(xì)小改變，就會(huì)對(duì)封口耐壓強(qiáng)度帶來顯著的影響。要保證電池產(chǎn)品安全性能質(zhì)量，簡(jiǎn)便快捷地定量檢測(cè)安全性能相關(guān)的數(shù)據(jù)十分重要。

2.2 電池反充實(shí)驗(yàn)

樣品S3、S4電池反充實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:共40組4只電池串聯(lián)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(fā)生爆炸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相同封口條件的電池，如果定量檢測(cè)結(jié)果確定封口耐壓強(qiáng)度符合要求，定性的反充實(shí)驗(yàn)也能表明它們符合安全性能要求，兩種實(shí)驗(yàn)方法得到相互印證。生產(chǎn)中，采用本方法進(jìn)行電池產(chǎn)品安全性能質(zhì)量控制是可行的。

2.3 封口部位鋼殼內(nèi)表面的SEM圖

帶刻線的電池封口部位鋼殼內(nèi)表面SEM圖見圖3。

圖3 電池封口部位鋼殼內(nèi)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(nèi)表面的裂紋明顯比它的鄰近部位嚴(yán)重。在旋壓加工額外的刻線時(shí)，局部鋼殼材料受到強(qiáng)烈的擠壓作用，產(chǎn)生了顯著的局部塑性形變，形成容易構(gòu)成毛細(xì)通道的豐富裂紋，它對(duì)電池的防漏不利［4］。

結(jié)合封口強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可以認(rèn)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(jié)論

在無泄壓條件下，以電池鋼殼柱身為工具體，經(jīng)電池鋼殼側(cè)壁上的開孔導(dǎo)入高壓水，測(cè)定電池封口屈服破壞時(shí)的水壓力，可用于反映電池的封口耐壓強(qiáng)度。水壓法可安全高效地得到直觀穩(wěn)定的測(cè)試數(shù)據(jù)。定量的電池封口耐壓強(qiáng)度檢測(cè)，可用于堿性鋅錳電池產(chǎn)品的安全性能質(zhì)量控制。

在本實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得的LR6電池封口耐壓強(qiáng)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(shè)計(jì)范圍110～140 kPa內(nèi)，在密封圈安全閥耐壓強(qiáng)度處于55～85 kPa的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)，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(jié)構(gòu)，使封口耐壓強(qiáng)度增加約2%，對(duì)該部位鋼殼的內(nèi)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(jié)構(gòu)［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(zhì)電池的安全要求［S］.

［3］China Federation of Industrial Economics Academic Department(中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)聯(lián)合會(huì)學(xué)術(shù)部).電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)［M］.Beijing(北京):China Logistics Publishing House(中國(guó)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.