CN115020882B - 一种纳米注塑技术及顶盖结构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电池盖领域，尤其涉及一种纳米注塑技术及顶盖结构。本申请公开的顶盖结构包括顶盖和正、负极柱，顶盖上分别形成有正、负极区域，正、负极柱与正、负极区域通过纳米注塑技术连接。纳米注塑技术包括以下步骤：先预处理；再将顶盖的正、负极区域和正、负极柱纳米化处理；最后通过注塑工艺分别填充正、负极柱与正、负极区域连接处的缝隙。电解池缓蚀剂由草酸和磷酸水溶液混合而成，在温度为25‑35℃，阳极载流电流密度为0.5‑5mA/m2，回料稳压源电压为20‑30V，电解电化学腐蚀时间为2‑15min的条件下进行纳米化处理。本申请制得的顶盖结构提高电池顶盖与极柱之间的连接稳定性和密封性，从而提高电池的安全性能。

Description

一种纳米注塑技术及顶盖结构
技术领域
本申请涉及电池盖的领域，尤其涉及一种纳米注塑技术及顶盖结构。
背景技术
随着新能源推广以来，动力电池在电动汽车、电动自行车和电动列车等交通工具上具有广泛的应用，因此电池的使用安全也是人们比较关注的问题。
目前的动力电池主要是通过极柱进行电流的内外导通，极柱与电池顶盖连接，一端与动力电池的外部电路连接，一端伸入电池内部与电池内部的电芯连接，从而实现电池的充放电功能，因此对动力电池的耐压性和密封性具有更高的要求。目前的电池顶盖与极柱之间是使用密封圈进行密封以提高电池顶盖与极柱之间的密封性，从而提高电池的安全性。但是密封圈在使用过程中可能会因老化脱落或者安装不当造成脱落，因此动力电池存在泄露的风险，从而会导致电池报废，并且产生安全问题，因此需要进行改进以提高电池顶盖与极柱之间的连接稳定性和密封性。
发明内容
为了提高电池顶盖与极柱之间的连接稳定性和密封性，从而提高电池的安全性能，本申请提供一种纳米注塑技术及顶盖结构。
本申请提供一种顶盖结构，包括顶盖和正、负极柱，所述顶盖上分别形成有正、负极区域，所述正、负极柱与正、负极区域通过纳米注塑技术连接，所述纳米注塑技术包括以下步骤：
S1.预处理：将顶盖和正、负极柱先进行热处理，然后再进行碱洗和酸洗；
S2.顶盖的正、负极区域纳米化处理：以顶盖为阳极，以碳棒为阴极，以正、负极区域为中心进行定位，在电解池缓蚀剂中定向腐蚀正、负极区域；
S3.正、负极柱纳米化处理：分别以正、负极柱为阳极，以碳棒为阴极，在电解池缓蚀剂中定向腐蚀正、负极柱与正、负极区域连接的部分；
S4.通过注塑工艺分别填充正、负极柱与正、负极区域连接处的缝隙；
所述电解池缓蚀剂由草酸水溶液和磷酸水溶液混合而成，所述草酸水溶液质量浓度为8-10g/L,所述磷酸水溶液的质量浓度为10-50g/L,所述草酸水溶液与所述磷酸水溶液的体积之比为(5-6):100。
在步骤S2和步骤S3中，所述纳米化处理的条件为：温度为25-35℃，阳极载流电流密度为0.5-5mA/m2，回料稳压源电压为20-30V，电解电化学腐蚀时间为2-15min。
通过采用上述技术方案，以草酸水溶液和磷酸水溶液的混合溶液作为电解池缓蚀剂，在上述纳米化处理的条件下，将顶盖的正、负极区域和正、负极柱进行定向腐蚀，使得正、负极区域以及正、负极柱与正、负极区域连接的部分形成多孔阳极氧化铝(AAO)，AAO具有精确、不变性、孔径均匀、孔的大小和高度可调的蜂窝状孔结构，并且孔与孔之间在侧面没有交叉和连通。在形成AAO后，采用注塑工艺将正、负极柱与正、负极区域连接处的缝隙填充，注塑材料充当纳米锚钉分别连接正、负极柱与正、负极区域上AAO蜂窝孔，从而将正、负极柱与顶盖紧密连接，替代原有的密封圈，使正、负极柱与顶盖一体化连接，从而提高电池顶盖与极柱之间的连接稳定性和密封性，进而提高电池的安全性能。而AAO一般作为模板应用于电沉积制备纳米线、溅射或MEB制备纳米点阵、sol-gel制备纳米结构等，但是本申请将酸性缓蚀剂原电池原理微腐蚀结合阳极氧化定向腐蚀纳米化处理技术运用于电池盖领域，一体化注塑实现正、负极柱与顶盖的紧密连接，不仅能够提高两者之间的密封性，还可以进行规模化生产，从而降低成本。
可选的，在步骤S1中，热处理的条件为：将顶盖和正、负极柱放置在以5℃/min的升温速率升至450-500℃的环境下，静置1.5-2.5h。
可选的，在步骤S1，碱洗的条件为：将热处理后的顶盖和正、负极柱在25-30℃的条件下，使用摩尔浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液洗涤2-8min。
可选的，在步骤S1，酸洗的条件为：将碱洗后的顶盖和正、负极柱在室温下使用质量浓度为20g/L的草酸水溶液洗涤2-5min。
使用上述热处理的方法，可以去除顶盖和正、负极柱材料的应力及内部晶格缺陷，同时可以去除表面的污染物。使用上述酸洗和碱洗的方法处理后，可以去除表面的油脂和氧化膜，从而使表面更加的平滑，降低因表面的形貌对AAO形成的影响，使其与电解池溶液更充分的接触，进而形成更加均匀致密的AAO结构，从而更加有利于后续进行注塑。
可选的，所述顶盖为3系铝；所述正极极柱为1系铝或3系铝；所述负极柱为铜铝复合结构，所述铜铝复合结构中铜为T2铜，铝为1系铝或3系铝。
使用上述公开的材料，可以使材料表面形成更加均匀致密的AAO孔，从而使AAO孔与注塑材料更好的结合，以提高顶盖与正、负极柱之间的气密性。
可选的，在步骤S4中,所述注塑工艺使用的注塑材料为PPS或PBT。
PPS和PBT材料的密度较小，但是强度较高，在熔融状态下具有很好的流动性，因此具有比较优异的加工性能，也能够与AAO孔较好的结合，从而提高结合强度，进而提高气密性。
可选的，在步骤S4中，所述注塑工艺的条件为：前段温度为290-360℃，后段温度为330-360℃；前段压力为43-53kgf，后段压力为30-40kgf；冷却时间为2-8s。
在上述注塑条件下，可以使注塑材料能够均匀的熔融并流动，更好的填充于顶盖和正、负极柱上形成的AAO孔内，通过合适的挤压压力，使得顶盖能够与正、负极柱更加牢固的结合，以提高二者之间的气密性。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请将酸性缓蚀剂原电池原理微腐蚀结合阳极氧化定向腐蚀纳米化处理技术运用于电池盖领域，在电池顶盖的正、负极区域和正、负极柱上先形成AAO蜂窝孔，再使用注塑技术将注塑材料充当纳米锚钉分别连接正、负极柱与正、负极区域上AAO蜂窝孔，从而将正、负极柱与顶盖紧密连接，替代原有的密封圈，使正、负极柱与顶盖一体化连接，从而提高电池顶盖与极柱之间的连接稳定性和密封性，进而提高电池的安全性能。
2.本申请将传统用于电沉积制备纳米线、溅射或MEB制备纳米点阵、sol-gel制备纳米结构的AAO应用在电池盖上，并且得到了比较优异的密封效果和耐压效果。
附图说明
图1是实施例1中顶盖纳米化处理后多孔阳极氧化铝(AAO)的SEM图；
图2是实施例1中顶盖纳米化处理后多孔阳极氧化铝(AAO)的EDS图；
图3是实施例1中正极极柱纳米化处理后多孔阳极氧化铝(AAO)SEM局部放大图；
图4是实施例1中顶盖与极柱之间填充PPS后对顶盖和正极柱连接处进行切割后的SEM图。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
配制电解池缓蚀剂：取100mL质量浓度为10g/L的草酸水溶液和2L质量浓度为50g/L的磷酸水溶液混合。
顶盖结构包括顶盖和正、负极柱，顶盖为3系铝，正极极柱为1系铝，负极极柱为铜铝复合结构，铜为T2铜，铝为1系铝，铜铝之间进行激光焊接成为铜铝复合结构。顶盖上分别形成有正、负极区域，正、负极柱与正、负极区域通过纳米注塑技术连接，纳米注塑技术包括以下步骤：
S1.预处理：将顶盖和正、负极柱先进行热处理，热处理的条件为：将顶盖和正、负极柱放置在马弗炉中，以5℃/min的升温速率升至450℃，静置2h。冷却后然后再进行碱洗，在30℃下，使用1mol/L的氢氧化钠溶液将冷却后的顶盖和正、负极柱洗涤5min。然后再进行酸洗，将碱洗后的顶盖和正、负极柱在室温下使用质量浓度为20g/L的草酸水溶液洗涤2min。
S2.顶盖的正、负极区域纳米化处理：以顶盖为阳极，以碳棒为阴极，以正、负极区域为中心进行定位，正、负极区域半径为13mm，温度为25℃，阳极载流电流密度为0.5mA/m2，回料稳压源电压为20V，电解电化学腐蚀时间为2min，在电解池缓蚀剂中定向腐蚀正、负极区域；
S3.正极柱纳米化处理：以正极柱为阳极，以碳棒为阴极，温度为25℃，阳极载流电流密度为2.5mA/m2，回料稳压源电压为30V，电解电化学腐蚀时间为2min，在电解池缓蚀剂中定向腐蚀正极柱与正极区域连接的部分。负极柱纳米化处理：以负极柱为阳极，以碳棒为阴极，温度为25℃，阳极载流电流密度为1.5mA/m2，回料稳压源电压为20V，电解电化学腐蚀时间为2min，在电解池缓蚀剂中定向腐蚀负极柱与负极区域连接的部分。
S4.通过注塑工艺分别填充正、负极柱与正、负极区域连接处的缝隙，使用PPS作为注塑材料，前段温度为330℃，后段温度为340℃；前段压力为48kgf，后段压力为35kgf；冷却时间为5s。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，草酸水溶液的质量浓度为8g/L，体积为120mL。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于，磷酸水溶液的质量浓度为10g/L；在步骤S2和步骤S3中，纳米化处理的条件均为：温度为35℃，阳极载流电流密度为2.5mA/m2，回料稳压源电压为30V，电解电化学腐蚀时间为15min。
实施例4
实施例4与实施例1的不同之处在于，磷酸水溶液的质量浓度为10g/L；在步骤S2和步骤S3中，纳米化处理的条件均为：温度为35℃，阳极载流电流密度为0.5mA/m2，回料稳压源电压为20V。
实施例5
实施例5与实施例2的不同之处在于，磷酸水溶液的质量浓度为15g/L；在步骤S2和步骤S3中，纳米化处理的条件均为：阳极载流电流密度为1.5mA/m2，回料稳压源电压为20V，电解电化学腐蚀时间为10min。
实施例6
实施例6与实施例1的不同之处在于，磷酸水溶液的质量浓度为50g/L；在步骤S2和步骤S3中，纳米化处理的条件均为：阳极载流电流密度为5mA/m2，回料稳压源电压为30V，电解电化学腐蚀时间为5min。
实施例7
实施例7与实施例1的不同之处在于，在步骤S1中，热处理的条件为：将顶盖和正、负极柱放置在以5℃/min的升温速率升至500℃的环境下，静置2.5h。冷却后然后再进行碱洗，在2℃下，使用1mol/L的氢氧化钠溶液将冷却后的顶盖和正、负极柱洗涤2min。然后再进行酸洗，将碱洗后的顶盖和正、负极柱在室温下使用质量浓度为20g/L的草酸水溶液洗涤5min。
实施例8
实施例8与实施例1的不同之处在于，正极极柱为3系铝，负极极柱为铜铝复合结构，铜为T2铜，铝为3系铝，铜铝之间进行摩擦焊接成为铜铝复合结构。
实施例9
实施例9与实施例1的不同之处在于，在步骤S4中,所述注塑工艺使用的注塑材料为PBT。
实施例10
实施例10与实施例1的不同之处在于，在步骤S4中，所述注塑工艺的条件为：前段温度为360℃，后段温度为360℃；前段压力为53kgf，后段压力为40kgf；冷却时间为8s。
对比例1
使用亿维71173普通PPS注塑的盖板，在顶盖与正、负极柱之间使用压缩氟橡胶密封圈进行密封。
对比例2
使用宁德时代71173极简盖板。
对比例3
对比例3与实施例1的不同之处在于，电解池缓蚀剂为2L质量浓度为10g/L的草酸水溶液。
对比例4
对比例4与实施例1的不同之处在于，电解池缓蚀剂为2L质量浓度为50g/L的磷酸水溶液。
对比例5
对比例5与实施例1的不同之处在于，草酸水溶液为200mL。
对比例6
对比例6与对比例1的不同之处在于，在步骤S2和步骤S3中，纳米化处理的条件均为：阳极载流电流密度为6.5mA/m2，回料稳压源电压为40V，电解电化学腐蚀时间为20min。
对比例7
对比例7与实施例1的不同之处在于，在步骤S1中，顶盖和正、负极柱不进行热处理。
性能检测数据
将上述实施例和对比例进行以下性能测试：
(1)拉拔力检测
将2mm厚度铝排通过穿透激光焊焊接极柱(熔宽≥1.5mm，熔深0.5-1.6mm)，工装将顶盖固定，拉力机固定铝排，将通过拉力测试机测试铝巴从极柱剪切(垂直顶盖方向)下来的力最大值。
(2)止转扭力检测
将2mm厚度铝排通过穿透激光焊焊接极柱(熔宽≥1.5mm，熔深0.5-1.6mm)，工装将顶盖固定，拉力机固定铝排，将通过拉力测试机测试铝巴从极柱剪切(平行顶盖方向)下来的力最大值。
(3)氦检密封性检测
先将顶盖紧固，连接气路，将顶盖所测得部位用水密封，并赶尽气泡，打开钢瓶氮气阀，缓慢加压至1MPa，持续10s，观察是否有气泡持续冒出。
(4)通过扫描电镜(SEM)对顶盖铝片进行孔径、孔间距和孔深检测
表1性能测试数据表
实施例1中，对纳米化处理得到的顶盖铝片进行SEM和EDS表征，见附图1和附图2，EDS的表征结果为：成分主要为铝(Al)和氧(O)，铝(Al)和氧(O)的重量比为Al:O＝58.95％:41.05％(wt％)。对纳米化处理得到的正极柱进行SEM表征，见附图3。对顶盖和正极柱连接处进行切割后使用SEM表征观察金属表面纳米注塑情况，见附图4。
结合实施例、对比例1-2及表1可以看出，本申请所公开的的顶盖结构与现有的顶盖结构进行对比后，使用本申请所公开的方法得到的顶盖的拉拔力、止扭转力和氮检密封性均优于对比例1-2的盖板。原因在于，现有的顶盖结构使用密封圈连接顶盖和正、负极柱，密封圈虽然可以填充顶盖和正、负极柱之间的缝隙，但是依然存在气密性不足的问题，从表1可以看出，对比例1的氮检密封性为15.0*10^(-8)((Pa.m3)/S，对比例2的封性为10.0*10^(-8)((Pa.m3)/S，远远高于本申请实施例的氮检密封性，并且对比例1和2的拉拔力和止扭转力均远远小于本申请实施例所测得的结果，可以看出本申请所得的顶盖结构无论是从拉拔力和止扭转力来看，还是从氮检气密性来看，均取得了比较优异的效果。因为本申请将酸性缓蚀剂原电池原理微腐蚀结合阳极氧化定向腐蚀纳米化处理技术运用于电池盖领域，使注塑材料充当纳米锚钉分别连接正、负极柱与正、负极区域上AAO蜂窝孔，从而将正、负极柱与顶盖紧密连接，替代了原有的密封圈，也可以进行规模化的生产，进而降低成本。并且这一结论也得到了实施例1的SEM表征图的印证，从附图1-4可以看出，顶盖和极柱的表面均形成了蜂窝结构，并且在注塑之后，PPS填充于AAO蜂窝孔内形成了类似铆钉的复合结构。综上所述，无论从哪个方面来看，本申请所公开的顶盖结构和纳米注塑技术应用于电池盖领域均取得了较为优异的效果。
结合实施例1-2和对比例3-5及表1可以看出,电解池缓蚀剂中草酸水溶液和磷酸水溶液的质量浓度及两者之间的配比对最终形成的一体顶盖的气密性和能够承受的压力具有一定的影响。本申请的电解池缓蚀剂主要以磷酸水溶液为主要成分，添加草酸水溶液进行混合，并且添加的草酸水溶液的体积占比不宜过高，占磷酸水溶液的体积的5-6％即可，并且两者相互混合使用比单独使用任意其中一种得到的效果都更优。原因在于使用草酸水溶液和磷酸水溶液的混合溶液作为电解池缓蚀剂所得到的AAO孔的孔径适中，孔的分布较为均匀，从而更有利于与PPS相结合。
结合实施例1，实施例3-6，对比例6及表1可以看出，纳米化过程中的处理条件对最终形成的一体顶盖的气密性和能够承受的压力具有一定的影响。原因在于，选择合适的纳米化处理条件，能够形成孔径大小适中，排布均匀的AAO孔，从而可以与PPS形成的纳米铆钉更好的结合，使正、负极柱与顶盖之间连接的更加牢固，从而能够承受更大的拉拔力和止扭转力，同时也具有较好的气密性。
结合实施例1，实施例7，对比例7及表1可以看出，在进行纳米化处理之前的预处理工作较为重要，对最终形成的AAO孔有影响。原因在于，预处理的过程可以去除顶盖和正、负极柱材料的应力及内部晶格缺陷，同时可以去除表面的污染物，使其与电解池溶液更充分的接触，进而形成更加均匀致密的AAO结构，从而更加有利于后续进行注塑。
结合实施例1，8-10及表1可以看出，盖板、正、负极柱的材料及注塑材料和注塑工艺均会对顶盖结构的气密性和能够承受的拉拔力和止扭转力具有影响。原因在于，在不同的材料和工艺条件下，产生的AAO孔的形态不同，注塑工艺也会影响注塑材料的形态，不同的AAO孔与注塑材料的结合状态不同，这些均会影响最终的结合效果，因此选用合适的盖板、正、负极柱的材料及注塑材料和注塑工艺对于本申请所公开的技术方案来说也尤为重要。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种顶盖结构，其特征在于：包括顶盖和正、负极柱，所述顶盖上分别形成有正、负极区域，所述正、负极柱与正、负极区域通过纳米注塑技术连接，所述纳米注塑技术包括以下步骤：
S1.预处理：将顶盖和正、负极柱先进行热处理，然后再进行碱洗和酸洗；
S2.顶盖的正、负极区域纳米化处理：以顶盖为阳极，以碳棒为阴极，以正、负极区域为中心进行定位，在电解池缓蚀剂中定向腐蚀正、负极区域；
S3.正、负极柱纳米化处理：分别以正、负极柱为阳极，以碳棒为阴极，在电解池缓蚀剂中定向腐蚀正、负极柱与正、负极区域连接的部分；
S4.通过注塑工艺分别填充正、负极柱与正、负极区域连接处的缝隙；
所述电解池缓蚀剂由草酸水溶液和磷酸水溶液混合而成，所述草酸水溶液质量浓度为8-10g/L,所述磷酸水溶液的质量浓度为10-50g/L，所述草酸水溶液与所述磷酸水溶液的体积之比为（5-6）:100；
在步骤S2和步骤S3中，所述纳米化处理的条件为：温度为25-35℃，阳极载流电流密度为0.5-5mA/m2，回料稳压源电压为20-30V，电解电化学腐蚀时间为2-15min。
2.根据权利要求1所述的一种顶盖结构，其特征在于：在步骤S1中，热处理的条件为：将顶盖和正、负极柱放置在以5℃/min的升温速率升至450-500℃的环境下，静置1.5-2.5h。
3.根据权利要求1所述的一种顶盖结构，其特征在于：在步骤S1，碱洗的条件为：将热处理后的顶盖和正、负极柱在25-30℃的条件下，使用摩尔浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液洗涤2-8min。
4.根据权利要求1所述的一种顶盖结构，其特征在于：在步骤S1，酸洗的条件为：将碱洗后的顶盖和正、负极柱在室温下使用质量浓度为20g/L的草酸水溶液洗涤2-5min。
5.根据权利要求1所述的一种顶盖结构，其特征在于：在步骤S2中，定向腐蚀的顶盖的正、负极区域的半径为13-14mm。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种顶盖结构，其特征在于：所述顶盖为3系铝；所述正极极柱为1系铝或3系铝；所述负极柱为铜铝复合结构，所述铜铝复合结构中铜为T2铜，铝为1系铝或3系铝。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种顶盖结构，其特征在于：在步骤S4中,所述注塑工艺使用的注塑材料为PPS或PBT。
8.根据权利要求1所述的一种顶盖结构，其特征在于，在步骤S4中，所述注塑工艺的条件为：前段温度为290-360℃，后段温度为330-360℃；前段压力为43-53kgf，后段压力为30-40kgf；冷却时间为2-8s。
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