CN115397655A - 使用冲击波的电池壳体成形设备及使用该电池壳体成形设备的电池壳体成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池壳体成形设备，包括导电液体、正极和负极，所述正极和负极构造为用以在导电液体中产生放电，以防止层压片因冲头和模具之间的摩擦而损坏并允许在使用层压片成形袋形电池壳体的过程中，拉伸整个层压片，并且本发明还涉及使用这种电池壳体成形设备的电池壳体成形方法。

Description

使用冲击波的电池壳体成形设备及使用该电池壳体成形设备 的电池壳体成形方法
技术领域
本申请要求于2020年10月28日提交的韩国专利申请第2020-0141037号的优先权的权益，通过引用将上述专利申请的整个公开内容结合在此。
本发明涉及一种使用冲击波的电池壳体成形设备及使用这种电池壳体成形设备的电池壳体成形方法。尤其是，本发明涉及一种使用冲击波的电池壳体成形设备及使用这种电池壳体成形设备的电池壳体成形方法，这种电池壳体成形设备能在成形袋形电池壳体的过程中减少冲头(punch)和模具(die)之间的摩擦，并延长层压片(laminate sheet)的拉伸范围(elongation range)，从而提高电池壳体的可成形性(shapeablility)。
背景技术
对作为移动装置和电动交通工具等的能源的二次电池的需求骤然增加。特别是，对具有高能量密度和高放电电压的锂二次电池的需求较高。
基于壳体的材料，锂二次电池可分为由金属材料制成的圆柱形二次电池、由金属材料制成的棱柱形二次电池或由层压片制成的袋形二次电池。袋形二次电池的优点在于，袋形二次电池以高集成度堆叠从而具有较高的每单位重量的能量密度，以低成本制造并且能够容易地变形。因而，袋形二次电池用在各种装置中。
袋形二次电池使用包括外涂层、金属阻挡层和内粘合层的层压片作为电池壳体，并且袋形二次电池构造为具有如下结构：其中电极组件与电解液一起容纳在形成于层压片中的容纳部中。
为了成形这种袋形二次电池中的电极组件容纳部，使用深拉(deep-drawing)方法，所述深拉方法是将层压片设置在模具上，使用保持件固定层压片并且使用冲头按压层压片。然而在深拉过程中，由于层压片的有限的延展性(ductility)以及冲头与层压片之间的摩擦力的缘故，在层压片的外表面上形成诸如针孔(pin-hole)或裂纹(crack)之类的外部缺陷。
即使为了防止形成这种外部缺陷而将接触层压片的冲头的表面粗糙度极度减小，但由于反复冲压导致的摩擦的缘故，难以防止在层压片上形成外部缺陷。特别是，在层压片的厚度较小，尤其是金属阻挡层的厚度较小的情况下，层压片的可成形性降低，从而会更容易形成针孔或裂纹。由于这个原因，难以将电极组件容纳部成形为具有较大深度，从而难以制造高容量锂二次电池。
与此相关的，专利文献1公开了一种技术，这种技术能够在按压装置(pressapparatus)的冲头中利用液体的压力进行按压的技术，所述按压装置包括所述冲头、压边圈保持件(blank holder)以及模具，并且这种技术能够通过两个电极在液体中产生压力波以形成片。
然而，专利文献1(其中冲头的外壁接触模具)不能解决在成形所述片的过程中所述片被局部拉伸的问题。
因此，高度需要在层压片的成形过程中能够防止对层压片的外观的损坏并且提高可成形性的技术。
美国专利申请公开号第2015-0360275号(2015.12.17)(“专利文献1”)
公开内容
技术问题
鉴于上述问题而做出了本发明，本发明的目的是提供一种电池壳体成形设备及使用该电池壳体成形设备的电池壳体成形方法，所述电池壳体成形设备能够减小由于构造为按压层压片以成形电池壳体的冲头与该层压片之间的接触而导致的该冲头与该层压片之间的摩擦力，从而防止对层压片的损坏。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一种电池壳体成形装置包括：冲头，所述冲头构造为用以按压用于电池壳体的层压片；模具，所述模具位于所述冲头下方，所述模具中形成有接纳部，所述接纳部与电极组件容纳部相对应；保持件，所述保持件构造为用以固定所述层压片；弹性隔板，所述弹性隔板耦接至所述保持件，所述弹性隔板位于所述冲头下方；导电液体，所述导电液体构造为用以形成由放电产生的气体导致的空腔；以及正极和负极，所述正极和负极设置为与导电液体接触以用于放电。
可以由所述弹性隔板、弹性隔板耦接的所述保持件和所述冲头的下表面来限定空间，并且所述导电液体可以容纳在所述空间中。
密封件可添加至所述保持件的多个外表面中的与所述冲头接触的所述保持件的表面。
可在所述冲头的下表面的至少一部分中形成凹部。
所述冲头可包括上冲头和下冲头，所述凹部可形成于所述下冲头的中心部分中，并且排除形成有所述凹部的所述中心部分的所述下冲头的厚度可向所述下冲头的外周逐渐减小，由此下冲头的下表面可以倾斜。
特别地，所述弹性隔板可为水密性弹性隔板。
所述正极和所述负极可以延伸穿过所述冲头的状态固定至所述冲头。
所述电池壳体成形设备可还包括发电机，所述发电机耦接于所述正极和所述负极，所述发电机构造为用以提供电流给所述正极和所述负极。
本发明提供一种使用所述电池壳体成形设备的电池壳体成形方法。特别地，本发明提供一种电池壳体成形方法，该方法包括以下步骤：S1)将用于电池壳体的层压片设置在所述模具上方的步骤；S2)用所述导电液体填充与所述弹性隔板耦接的所述保持件的步骤；S3)使用所述冲头按压所述弹性隔板和所述层压片的第一成形步骤；和S4)提供电流给所述导电液体的第二成形步骤，其中所述正极和所述负极安装至所述冲头。
可按顺序执行所述第一成形步骤和所述第二成形步骤。
所述冲头与所述弹性隔板由于所述导电液体的缘故可互不接触，并且可在步骤S1)之前执行步骤S2)。
在所述第一成形步骤中，电极组件容纳部的底部可被成形为在其中心部分是凸的曲面。
所述第二成形步骤可包括如下过程：其中由供给所述正极和所述负极的电流产生火花，由于所述火花产生气体的缘故，空腔突然膨胀，并且所述导电液体被所述膨胀加压,由此所述弹性隔板推动所述层压片以使所述层压片与所述模具的表面紧密接触。
此外，本发明提供一种使用所述电池壳体成形设备制造的电池壳体，其中构成电极组件容纳部的底部和侧表面的厚度可彼此相等。
所述电极组件容纳部的所述底部和所述侧表面每一个的厚度可小于密封部的厚度。
此外，本发明可提供上述多个解决手段的所有可能的组合。
有益效果
通过上面的描述，显然的是，在本发明中，电极组件容纳部在层压片与冲头之间插置弹性隔板的状态下成形，从而可防止冲头与层压片之间的直接接触，因此可将在冲头的表面和层压片的表面上发生的粘滑(stick-slip)效应最小化，且可防止所述层压片被所述冲头损坏。
此外，电池壳体在导电液体容纳于弹性隔板中的状态下成形，由此冲头的压力通过导电液体的表面传递给弹性隔板。
此外，由于所述电池壳体是使用通过提供电流给插入导电液体中的电极而产生的气体压力导致的冲击波而成形的，所以压力被分配给毗邻层压片的所述弹性隔板的整个区域，由此整个层压片被均匀地拉伸。
在本发明中，如上所述，可减小制造过程期间的摩擦力并且可防止电池壳体的电极组件容纳部的侧壁的厚度局部过度地减小，从而可防止在电池壳体中形成针孔或裂纹。
此外，在使用根据本发明的电池壳体成形设备和方法的情况下，即使使用具有相同厚度的层压片，也可更深地形成电极组件容纳部，因此可增加电池单元的容量并且提高电池单元的能量密度。
附图说明
图1是根据本发明的电池壳体成形设备的垂直截面图。
图2是根据本发明的保持件的上部透视图。
图3是根据本发明的冲头的下部透视图。
图4是按顺序地示出根据本发明的电池壳体成形过程的视图。
图5是使用图1的电池壳体成形设备制造的电池壳体的垂直截面图。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明所属领域的普通技术人员能够容易实施本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的工作原理中，当本文中并入的已知功能和构造的详细描述可能会使本发明的主题模糊不清时，将省去该详细描述。
此外，整个附图中将使用相同的参考标记来表示执行相似功能或操作的部分。在整个申请中一个部分被称为连接至另一个部分的情况下，该一个部分不仅可直接连接至该另一个部分，该一个部分也可经由另外的部分间接连接至该另一个部分。此外，包括某一要素并不意指排除其他要素，而是指可进一步包括这些要素，除非另有说明。
此外，除非特别限制，否则通过限制或添加来具体化要素的描述可应用于所有发明，并且不限制具体发明。
而且，在本发明的说明书和本申请的权利要求书中，除非另外提及，否则单数形式旨在包括复数形式。
而且，在本发明的说明书和本申请的权利要求书中，除非另外提及，否则“或”包括“和”。因此，“包括A或B”是指三种情况，即，包括A的情况、包括B的情况、以及包括A和B的情况。
此外，除非上下文另有明确说明，否则所有数值范围均包括最小值、最大值和其间的所有中间值。
将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1是根据本发明的电池壳体成形设备的垂直截面图。
参照图1，电池壳体成形设备100包括：冲头110，被构造为用以按压用于电池壳体的层压片101；模具120，位于冲头110的下方，该模具中形成有接纳部121，接纳部121与电极组件容纳部相对应；保持件130，被构造为用以固定层压片101；弹性隔板140，耦接至保持件130，该弹性隔板位于冲头130下方；导电液体150，被构造为用以形成由于放电产生的气体的缘故而导致的空腔；和正极161与负极162，正极161与负极162设置为与导电液体150接触以用于放电。
为了使用层压片101制造袋形电池壳体，将层压片101设置在其中形成有与电极组件容纳部尺寸对应的接纳部121的模具120上，以及使用保持件130将层压片101的外周固定到模具。通过冲头110按压固定的层压片101，从而可成形电极组件容纳部。
此时，为了防止层压片101与冲头110之间的直接接触，在层压片101与冲头110之间设置弹性隔板140。
如果层压片与冲头彼此直接接触，那么由于层压片的表面与冲头的表面之间的摩擦的缘故，不容易发生滑动。结果，层压片的被拉伸的区域变窄，因此只有层压片的局部区域被拉伸。特别地，由于当层压片被成形为电池壳体时层压片的成为电极组件容纳部的侧壁的部分被主要拉伸，所以该部分的厚度过度减小。因此，电池壳体容易被损坏。
如上所述，由于在层压片的表面和冲头的表面上容易发生粘滑现象，层压片可被局部地过度拉伸，因此电池壳体成形缺陷率会增加。
在本发明中，在层压片101与冲头110之间设置弹性隔板140的状态下通过冲头110按压层压片101，因此层压片101的表面与冲头110的表面彼此不直接接触。因而，可解决由于冲头110的不平滑表面或者在冲头与层压片之间引入异物的缘故而划伤层压片101的传统问题。
弹性隔板140可被牢固地固定在保持件130中。因此，即使通过冲头110按压层压片101，也可以保证弹性隔板140的稳定固定。
例如，弹性隔板140可被附接到保持件130的下表面，或者可被固定到保持件130的侧表面的下部。当弹性隔板140被附接到保持件130的下表面时，可通过由于弹性隔板140与保持件130的耦合而导致形成的微观(microscopically)突出部来进一步增加固定层压片101的力。或者，当弹性隔板140被固定到保持件130的侧表面的下部时，尤其是当弹性隔板140被插入并且固定到形成在保持件130的侧表面的下部中的凹部时，进一步增加了弹性隔板140与保持件130之间的耦合力。结果，即使当弹性隔板140被过度拉伸时也保持了弹性隔板与保持件之间的耦合。当容纳部的深度较大时，可实现更有益的效果。
在本发明中，在冲头110与弹性隔板140之间加入导电液体150。此时，导电液体150被加入达到冲头110和弹性隔板140互不接触的程度。
特别地，导电液体150可作为传递冲头110按压力的介质，并且还可以将均匀的冲击波传递到弹性隔板140的整个区域。
参照图1，由弹性隔板140、耦接至弹性隔板140的保持件130和冲头110的下表面来限定空间，并且导电液体150容纳在该空间中。
优选地，弹性隔板140是水密性弹性隔板。当冲头110向下移动时，由冲头110的下表面、保持件130和弹性隔板140限定的空间的体积减小，由此导电液体150被加压，并且被加压的导电液体150在向下移动的同时使弹性隔板140变形为曲面。
由于施加到变形的弹性隔板140的按压力均匀地施加至层压片101的整个区域，所以层压片101也变形为与变形的弹性隔板140同样的形状。
容纳导电液体150的空间中的压强可通过冲头110的按压力而增加。为防止导电液体150从该空间被排出，可将密封件131加至保持件130的多个外表面中接触冲头的保持件130的表面133和134。例如，密封件131可以是由弹性材料制成的O形环。
与此有关的，图2是根据本发明的保持件130的上部透视图。
参照图1和图2，两个四边形环状密封件131被贴附至保持件130的上表面133，并且两个四边形环状密封件131也被贴附至保持件130的内表面134。
图1的冲头110包括上冲头111和下冲头112。保持件的内表面134是与插入保持件120内的下冲头的侧表面112a相面对的表面，保持件的上表面133是当冲头110完全插入保持件内时，与上冲头的下表面111a相面对的表面。
密封件131被添加至保持件120和冲头110彼此相面对的表面，由此可推动弹性隔板140而不排出导电液体150。
正极161和负极162设置为与导电液体150接触，且发电机170耦接至正极161和负极162以便为其提供电流。正极161与负极162可为极性不固定的电极。此时，发电机170可以产生交流电。
当非常高的电流在很短的时间内通过发电机170流到正极161和负极162时，在正极161与负极162之间发生放电。导电液体150的温度由于放电突然升高，从而导电液体被蒸发，且因此导电液体的体积突然增加。结果，形成了空腔。当空腔极度膨胀时，在导电液体中产生冲击波。在导电液体中，冲击波沿着各个方向传播，并且冲击波的能量强烈地将弹性隔板和层压片推到模具的接纳部的外边缘。
如上所述，由于因导电液体150蒸发的结果而产生的冲击波使弹性隔板140在各个方向上膨胀，层压片101可被推到模具的内表面，由此可成形电极组件容纳部。
优选在通过冲头110的按压将层压片成形达到一定程度后使用冲击波，以进一步按压层压片101的微小(minute)部分，而不是在开始时加入冲击波。
导电液体150的种类没有特别的限制,只要导电液体表现出高导电性、低挥发性和高化学稳定性即可。例如，可以采用：水；电解质溶液，例如氯化钠、硫酸、盐酸、氢氧化钠、氢氧化钾或硝酸钠；或者用作二次电池电解液的有机溶剂。
当冲头被设置于层压片上方时，正极161和负极162与导电液体接触。或者，当至少使用冲头推动弹性隔板和层压片时，安装至冲头的正极161和负极162向下移动而与导电液体150接触。因此，正极161和负极162可以以延伸穿过冲头的状态固定至冲头110。或者，正极161和负极162可以延伸穿过保持件130的状态固定至保持件130，并且正极和负极可从保持件130一侧的内表面向添加导电液体150的位置突出。
如上所述，即使在正极和负极被固定至冲头110或保持件130的情况下，也必须确保气密性以防止导电液体150从冲头110的下表面与保持件130的内部之间形成的空间被排放到外面。
图3是根据本发明的冲头110的下部透视图。
参照图3，可在下冲头112的下表面的至少一部分中形成凹部115。
优选地，凹部115形成在冲头110的下表面的中心部分，以便防止当冲头110向下移动时，导电液体150立刻移动到弹性隔板140的外周。
如上所述，在凹部115形成在冲头110的下表面的中心部分的情况下，可获得导电液体150被收集在凹部115中的效果。此外，由于水压与收集在凹部115中的液体量成比例地更好传递，冲头110的中心部分被变形为凸形，这是最显著的，并在其上增加凹部115。
同时，下冲头112被形成为使得：排除下冲头112的中心部分中形成的凹部115，下冲头112的中心部分的厚度t1大于下冲头112的外周的厚度t2。因此，下冲头112的下表面倾斜。
在本发明中，层压片101由导电液体150瞬间蒸发时产生的冲击波推到模具120的整个接纳部121，由此成形电池壳体。由于下冲头112外周的厚度t2形成得比下冲头的中心部分薄，冲击波可被传播至很远达弹性隔板140的外周。
图4是按顺序地示出根据本发明的电池壳体成形过程的视图。
参照图4，根据本发明的电池壳体成形方法包括：将用于电池壳体的层压片101设置在模具120上方的步骤；用导电液体150填充与弹性隔板140耦接的保持件130的步骤；使用冲头110按压弹性隔板140和层压片101的第一成形步骤；和提供电流给导电液体150的第二成形步骤。可首先执行用导电液体150填充与弹性隔板140耦接的保持件130的步骤。
可按顺序执行第一成形步骤和第二成形步骤。在弹性隔板140和层压片101没有受到完全按压的初始按压状态下执行第一成形步骤。
或者，可同时执行第一成形步骤和第二成形步骤。可使用冲头110按压弹性隔板140，并且同时可提供电流给正极161和负极162以产生冲击波。
在使用冲击波的第二成形步骤中，可以执行以下过程：其中由供给正极161和负极162的电流产生火花，空腔由于火花产生的气体的缘故而突然膨胀，并且导电液体150被这样的膨胀加压,由此弹性隔板140推动层压片101以与模具120的表面紧密接触。
图5是使用图1的电池壳体成形设备100制造的电池壳体的垂直截面图。
参照图5，电池壳体包括由底部211和侧表面222构成的电极组件容纳部201、以及密封部233。
在本发明中，由于通过冲击波向整个弹性隔板施加均匀的压力，所以延伸到模具中的整个层压片可被均匀地拉伸。
因此，构成电极组件容纳部201的底部211和侧表面222的厚度彼此相等，或这些厚度之间没有很大差别。
此外，作为由保持件130固定至模具120的一部分的密封部233没有被拉伸。因此，拉伸的电极组件容纳部201的底部211和侧表面222每个的厚度都小于密封部233的厚度。
因此，当与只有传统拉伸范围E1应用于侧表面222的情况相比时，在使用根据本发明的电池壳体成形方法时，拉伸区域除了传统拉伸范围E1之外，还延伸到根据本发明的额外拉伸范围E2，由此可以解决传统的电池壳体被局部拉伸从而容易损坏的问题。
本发明所属领域的技术人员将理解到，基于上面的描述，在本发明的范围内各种应用和修改是可能的。
(参考标号说明)
100:电池壳体成形设备
101:层压片
110:冲头
111:上冲头
111a:上冲头的下表面
112:下冲头
112a:下冲头的侧表面
115:凹部
120:模具
121:接纳部
130:保持件
131:密封件
133:上表面
134:内表面
140:弹性隔板
150:导电液体
161:正极
162:负极
170:发电机
201:电极组件容纳部
211:底部
222:侧表面
233:密封部
E1:传统拉伸范围
E2:根据本发明的额外拉伸范围
t1:下冲头的中心部分的厚度
t2:下冲头外周的厚度
工业实用性
本发明涉及一种使用冲击波的电池壳体成形设备，这种电池壳体成形设备能在成形一种袋形电池外壳的过程中减少冲头与模具之间的摩擦，并且能延长层压板的拉伸范围，从而提高电池壳体的可成形性，并且本发明还涉及一种使用这种电池壳体成形设备的电池壳体成形方法，因此本发明具有工业实用性。

Claims (16)

1.一种电池壳体成形设备，包括：
冲头，所述冲头构造为用以按压用于电池壳体的层压片；
模具，所述模具位于所述冲头的下方，所述模具中形成有接纳部，所述接纳部与电极组件容纳部相对应；
保持件，所述保持件构造为用以固定所述层压片；
弹性隔板，所述弹性隔板耦接至所述保持件，所述弹性隔板位于所述冲头下方；
导电液体，所述导电液体构造为用以形成由放电产生的气体导致的空腔；和
正极与负极，所述正极与负极设置为与所述导电液体接触以用于放电。
2.根据权利要求1所述的电池壳体成形设备，其中
由所述弹性隔板、耦接至所述弹性隔板的所述保持件、和所述冲头的下表面限定空间，并且
所述导电液体容纳于所述空间中。
3.根据权利要求1所述的电池壳体成形设备，其中密封件添加至所述保持件的多个外表面中的与所述冲头接触的所述保持件的表面。
4.根据权利要求1所述的电池壳体成形设备，其中在所述冲头的下表面的至少一部分中形成凹部。
5.根据权利要求4所述的电池壳体成形设备，其中
所述冲头包含上冲头和下冲头，
所述凹部形成于所述下冲头的中心部分中，并且
排除形成有所述凹部的所述中心部分的所述下冲头的厚度向所述下冲头的外周逐渐减小，由此所述下冲头的下表面是倾斜的。
6.根据权利要求1所述的电池壳体成形设备，其中所述弹性隔板为水密性弹性隔板。
7.根据权利要求1所述的电池壳体成形设备，其中所述正极和所述负极以延伸穿过所述冲头的状态固定至所述冲头。
8.根据权利要求1所述的电池壳体成形设备，还包含发电机，所述发电机耦接于所述正极和所述负极，所述发电机被构造为用以提供电流给所述正极和所述负极。
9.一种使用根据权利要求1至8中任一项所述的电池壳体成形设备的电池壳体成形方法，所述电池壳体成形方法包含以下步骤：
S1)将用于电池壳体的层压片设置在所述模具上的步骤；
S2)用所述导电液体填充与所述弹性隔板耦接的所述保持件的步骤；
S3)使用所述冲头按压所述弹性隔板和所述层压片的第一成形步骤；和
S4)提供电流给所述导电液体的第二成形步骤，其中
将所述正极和所述负极安装至所述冲头。
10.根据权利要求9所述的电池壳体成形方法，其中按顺序执行所述第一成形步骤和所述第二成形步骤。
11.根据权利要求9所述的电池壳体成形方法，其中由于所述导电液体的缘故，所述冲头与所述弹性隔板互不接触。
12.根据权利要求9所述的电池壳体成形方法，其中在步骤S1)之前执行步骤S2)。
13.根据权利要求9所述的电池壳体成形方法，其中，在所述第一成形步骤中,电极组件容纳部的底部被成形为在其中心部分是凸的曲面。
14.根据权利要求9所述的电池壳体成形方法，其中所述第二成形步骤包含如下过程：由提供给所述正极和所述负极的电流产生火花，由于所述火花产生的气体的缘故，空腔突然膨胀，并且所述导电液体被所述膨胀加压,由此所述弹性隔板推动所述层压片以使所述层压片与所述模具的表面紧密接触。
15.一种使用根据权利要求1至8中任一项所述的电池壳体成形设备制造的电池壳体，其中构成电极组件容纳部的底部和侧表面的厚度彼此相等。
16.根据权利要求15所述的电池壳体，其中所述电极组件容纳部的所述底部和所述侧表面每一个的所述厚度小于密封部的厚度。
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