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基本信息

項(xiàng)目名稱：
動(dòng)力電池鋼殼的單體噴鍍方法及裝置
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本作品創(chuàng)造性地提出了動(dòng)力電池鋼殼的單體噴鍍方法，結(jié)合電池鋼殼單體噴鍍的特點(diǎn)，研制了電池鋼殼單體噴鍍機(jī)。利用此技術(shù)與裝置對(duì)電池鋼殼進(jìn)行單體噴鍍，既能保證電池鋼殼內(nèi)外鍍層的均勻性，又能避免沖壓過程中的鍍層開裂問題，滿足了動(dòng)力電池對(duì)鋼殼一致性的要求。
詳細(xì)介紹：
所屬領(lǐng)域：新能源材料（動(dòng)力電池鋼殼） 隨著電動(dòng)單車、電動(dòng)摩托車等電動(dòng)交通工具的發(fā)展，特別是電動(dòng)汽車以其無污染、高效率、無噪音、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)躍升成為21世紀(jì)重要的新型綠色環(huán)保交通工具，電池作為電動(dòng)交通工具的心臟部分，也逐步由儲(chǔ)能型向動(dòng)力型轉(zhuǎn)變。為了滿足動(dòng)力電池高性能需求，無論對(duì)其正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜紙以及外殼都提出了新的要求。 目前，人們對(duì)動(dòng)力電池的正極材料、負(fù)極材料、電解液以及隔膜紙都進(jìn)行了大量的研究，并且取得了一定的成果，對(duì)電池外殼的關(guān)注則比較少。2008年9月召開的第一屆動(dòng)力鋰電池國(guó)際會(huì)議的論文分類統(tǒng)計(jì)中，112篇論文，只有9篇是關(guān)于安全性能的，而動(dòng)力電池的安全性能是限制電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。 電池外殼（鋼殼）材料的制備是動(dòng)力電池制備過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響動(dòng)力電池的安全性、存儲(chǔ)性等各項(xiàng)性能。動(dòng)力電池需要大電流充放電，循環(huán)使用，且需經(jīng)受振動(dòng)、撞擊、高低溫和潮濕等機(jī)械和環(huán)境考驗(yàn)，因此對(duì)電池鋼殼鍍層的厚度、厚度均勻性以及鋼殼的一致性提出了更高的要求。 目前，美國(guó)特斯拉公司已在全球范圍內(nèi)率先量產(chǎn)了一款純電動(dòng)跑車，其電源系統(tǒng)是由6831個(gè)18650型動(dòng)力電池串、并聯(lián)組成。用于電動(dòng)汽車和電動(dòng)工具的動(dòng)力型電池對(duì)電池鋼殼的一致性以及鍍層均勻性具有較高的要求，如果采用國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的電池鋼殼制備方法，無法制備出滿足上述要求的動(dòng)力電池鋼殼。我們的目的正是發(fā)明一種新的電池外殼材料的加工方法，用于生產(chǎn)這種高性能的動(dòng)力電池。 傳統(tǒng)電池鋼殼的生產(chǎn)工藝主要有滾鍍和預(yù)鍍兩種。 滾鍍，是把低碳鋼帶沖壓成型為電池鋼殼后進(jìn)行轉(zhuǎn)筒滾鍍的方法。滾鍍方法工藝設(shè)備和過程相對(duì)簡(jiǎn)單，易組織生產(chǎn)；缺點(diǎn)是由于電池鋼殼是盲孔，管徑與孔深之比達(dá)1：4以上，使表面鍍層厚度不均勻，影響電池性能。 預(yù)鍍，是先將鋼帶電鍍鎳，然后再拉伸沖壓成電池鋼殼。其優(yōu)點(diǎn)在于鋼殼內(nèi)外鍍層均勻，不會(huì)出現(xiàn)漏鍍；但是存在明顯的缺點(diǎn)，即在深沖的過程中鍍層易開裂，降低鋼殼的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。 針對(duì)以上結(jié)癥所在，本作品創(chuàng)造性地提出了動(dòng)力電池鋼殼的單體噴鍍方法，并結(jié)合電池鋼殼單體噴鍍的特點(diǎn)，研制了電池鋼殼單體噴鍍機(jī)。對(duì)電池鋼殼進(jìn)行單體噴鍍，既能保證鋼殼內(nèi)外鍍層的均勻性，又能避免鍍層開裂的問題，滿足了動(dòng)力電池鋼殼更高的要求。

作品圖片

  • 動(dòng)力電池鋼殼的單體噴鍍方法及裝置
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  • 動(dòng)力電池鋼殼的單體噴鍍方法及裝置
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的：電動(dòng)交通工具在迅猛發(fā)展，對(duì)動(dòng)力型電池鋼殼鍍層的厚度、厚度均勻性以及鋼殼的一致性提出了更高要求。傳統(tǒng)電池鋼殼的生產(chǎn)工藝主要有滾鍍和預(yù)鍍兩種，但無法滿足動(dòng)力電池對(duì)鋼殼一致性和鍍層均勻性的要求。本作品創(chuàng)造性地提出了動(dòng)力電池鋼殼的單體噴鍍方法，并研制了電池鋼殼單體噴鍍機(jī)，既能保證鋼殼內(nèi)外鍍層均勻性，又能避免鍍層開裂問題，滿足了動(dòng)力電池對(duì)鋼殼的要求。 基本思路：為克服電池鋼殼滾鍍出現(xiàn)的鍍層不均和預(yù)鍍鋼殼出現(xiàn)的鍍層開裂問題，本作品提出的動(dòng)力電池鋼殼的單體噴鍍方法在保障鍍層質(zhì)量的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。 創(chuàng)新點(diǎn)：1）提出電池鋼殼的單體噴鍍方法，采用PLC控制器、機(jī)械臂、氣缸、電鍍槽、鍍液噴射裝置等組成動(dòng)力電池鋼殼單體噴鍍裝置，實(shí)現(xiàn)電池鋼殼的單體噴鍍； 2）提出了間歇式多點(diǎn)給電方法，采用鈦釘接觸鋼殼外壁方式，通過改變鈦釘與鋼殼外壁接觸點(diǎn)多次噴鍍，解決了接觸點(diǎn)漏鍍的問題； 3）采用噴管內(nèi)置、噴孔環(huán)繞方式，解決了電池鋼殼盲孔電鍍的難題。 技術(shù)關(guān)鍵：1）通過控制電流密度和噴管分布，實(shí)現(xiàn)了噴鍍電池鋼殼時(shí)內(nèi)外壁的鍍層均勻； 2）通過噴管孔徑大小設(shè)置，運(yùn)用流量計(jì)來控制鍍液的流速，實(shí)現(xiàn)噴鍍過程中鋼殼內(nèi)外壁表面離子的合理分布，使鋼殼內(nèi)壁和內(nèi)底的鍍層厚度≥1.5μm，鋼殼外壁的鍍層厚度≥2.5μm。 主要技術(shù)指標(biāo)：生產(chǎn)率≥1200個(gè)/小時(shí)；電流效率≥96%；鍍層孔隙率0.5個(gè)/d㎡；鍍層厚度偏差±0.15μm；耐腐蝕性8小時(shí)中性鹽霧試驗(yàn) ≥保護(hù)9級(jí)

科學(xué)性、先進(jìn)性

從發(fā)明背景來看：現(xiàn)有圓柱形電池鋼殼制造工藝主要有滾鍍和預(yù)鍍。滾鍍過程中清洗困難、鍍液鍍深能力不足和電鍍時(shí)尖端放電等原因，造成電池殼內(nèi)孔漏鍍和鍍層厚薄不均，使得電池殼的次品率高。預(yù)鍍不足之處在于沖壓成型后，鋼殼表面鍍層通常會(huì)開裂，這樣會(huì)影響電池的耐腐蝕性能。 從發(fā)明思路來看：在本作品發(fā)明之前，首先調(diào)研了電池鋼殼電鍍行業(yè)的現(xiàn)狀，綜合比較了已有各種電鍍方法的優(yōu)缺點(diǎn)，參觀了電池鋼殼生產(chǎn)車間，最后確定了研究方向。本項(xiàng)目的開發(fā)注重電鍍方法的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)的巧妙。采取單體電鍍的方法，電池鋼殼的內(nèi)壁采用深入噴射電鍍的方法，有效地避免了鍍層不均勻的現(xiàn)象。 從作品特點(diǎn)來看：1）提出了單體噴鍍的方法，實(shí)現(xiàn)了電池鋼殼的單體噴鍍；2）提出了間歇式多點(diǎn)給電的方法，解決了接觸點(diǎn)漏鍍的問題； 3）采用噴管內(nèi)置、噴孔環(huán)繞的方式，解決了電池鋼殼盲孔電鍍的難題。 本作品不但可以應(yīng)用于各種電池鋼殼生產(chǎn)企業(yè)，也可用于其他形狀的電容器外殼、電源器件及其他深孔零件的噴鍍加工，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2011年第九屆“挑戰(zhàn)杯”湖南省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段，并與廣州東時(shí)創(chuàng)展簽約，初期擬投入300萬元開始進(jìn)行中試線建設(shè)及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線的開發(fā)。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

技術(shù)轉(zhuǎn)讓，合作開發(fā)等方式

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

使用說明：1）開啟電源及氣源 2）開機(jī) 3）暫停機(jī) 4）單程停機(jī) 5）全程停機(jī) 6）緊急停機(jī) 技術(shù)特點(diǎn)：1）通過方法創(chuàng)新和工程攻關(guān)實(shí)現(xiàn)鋼殼單體電鍍； 2）運(yùn)用PLC控制機(jī)械臂的橫向與縱向移動(dòng)夾起電池鋼殼； 3）運(yùn)用控制鍍液噴速的方法實(shí)現(xiàn)電池鋼殼鍍層均勻。 適用范圍：可應(yīng)用于各種電池鋼殼生產(chǎn)企業(yè)，也可用于其他形狀的電容器外殼、電源器件及其他深孔零件的噴鍍加工。 推廣前景：本作品的核心技術(shù)從源頭上改善了電池鋼殼生產(chǎn)中出現(xiàn)的鍍層不均勻問題，有效避免鍍層沖壓開裂問題，極大提高了鋼殼一致性，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池行業(yè)乃至電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生極大促進(jìn)作用。 市場(chǎng)分析及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：目前國(guó)內(nèi)專業(yè)從事電池鋼殼生產(chǎn)的企業(yè)有50余家，電池鋼殼年產(chǎn)量達(dá)100億只以上，且產(chǎn)量仍以每年25%速度增長(zhǎng)，據(jù)資料顯示，未來10年動(dòng)力電池市場(chǎng)容量為1500億安時(shí)。其中電池鋼殼的成本占動(dòng)力電池成本的1/4左右，由此預(yù)測(cè)，此方法的實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

目前沒有電池殼體單體噴鍍的方法，相關(guān)裝置也未見報(bào)道。 從制備工藝上看，目前制備電池鋼殼材料的方法主要有兩種： 1.滾鍍：嚴(yán)格意義上講叫做滾筒電鍍。它是將一定數(shù)量的小零件置于專用滾筒內(nèi)、在滾動(dòng)狀態(tài)下以間接導(dǎo)電的方式使零件表面沉積上各種金屬或合金鍍層、進(jìn)行表面防護(hù)裝飾和獲取各種功能性鍍層的一種電鍍加工方式。滾鍍適用于受形狀、大小等因素影響無法或不宜裝掛的小零件的電鍍，它與早期小零件電鍍采用掛鍍或籃筐鍍的方式相比，節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，而且鍍件表面質(zhì)量也大大提高。所以，滾鍍的發(fā)明與應(yīng)用在小零件電鍍領(lǐng)域無疑有著非常積極的意義。 但是滾鍍有其難以克服的缺陷:滾鍍是小鍍件在滾筒內(nèi)不停翻滾中進(jìn)行，因此鍍件與鍍件之間難免出現(xiàn)摩擦，導(dǎo)致劃痕產(chǎn)生；由于鎳鍍液的深鍍能力和均鍍能力有限，加之電池鋼殼是深孔零件，滾鍍過程中清洗困難，造成電池鋼殼內(nèi)壁漏鍍和鍍層厚薄不均，使電池殼的次品率高且電池的使用壽命降低，同時(shí)滾鍍對(duì)環(huán)境的污染很大。 2.預(yù)鍍：即先將鋼帶進(jìn)行電鍍鎳，再對(duì)鍍層進(jìn)行熱擴(kuò)散、冷軋等加工，最后沖壓成電池鋼殼。鋼帶采用特殊熱處理擴(kuò)散工藝（專有技術(shù)）， 通過此特殊工藝使鎳層與基帶之間形成鎳鐵擴(kuò)散層，保證了鍍層的致密性、附著力和同步延伸性。減薄拉伸沖制鋼殼，保證了鋼殼的一致性和尺寸精度；并且預(yù)鍍電池殼的生產(chǎn)符合國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，可消除后鍍生產(chǎn)工藝（后鍍生產(chǎn)工藝是今后國(guó)家限制的產(chǎn)業(yè)）帶來的環(huán)境污染問題。因此預(yù)鍍也逐漸成為電池領(lǐng)域的主流工藝。 但是預(yù)鍍的缺點(diǎn)也是不容忽視的，在沖壓為電池鋼殼的過程中，鍍層和基底的復(fù)合體需經(jīng)過12次深沖變形。采用預(yù)鍍，后沖壓的電池鋼殼都有明顯的裂紋，嚴(yán)重者鍍層甚至?xí)幕咨厦撀?，致使次品率較高。動(dòng)力型鋰電池要求其電池鋼殼的安全性和耐腐蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通電池鋼殼，使得預(yù)鍍電池鋼殼已不能滿足鋰離子動(dòng)力電池的要求。 綜上所述，隨著當(dāng)今社會(huì)對(duì)動(dòng)力型鋰電池研究的逐漸深入，鋰離子動(dòng)力電池殼體鍍層的均勻性與殼體的一致性的要求逐漸提高，原有的電池殼體制備工藝已經(jīng)不能滿足時(shí)代的要求，因而急需提出一種比前兩種方法更為科學(xué)合理的電鍍方法。本發(fā)明提出的方法既能保證鍍層均勻，又能避免鍍層的沖壓開裂問題，既克服了前面兩種方法的缺點(diǎn)又能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際空白，屬于原創(chuàng)性設(shè)計(jì)。
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