CN117254178A - 一种电池盖板的生产工艺以及电池盖板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池盖板的生产工艺，涉及锂电池盖板技术领域，所述生产工艺包括如下步骤：S1：提供电池盖板主体以及极柱，所述极柱包括负极极柱和正极极柱，所述正极极柱为铝材质，所述负极极柱为铜铝复合材质；S2：对所述电池盖板主体以及所述极柱进行预处理，所述预处理包括粗糙化处理、电解氧化以及活化处理；S3：装配预处理好的所述电池盖板主体和所述极柱，并在所述电池盖板主体和所述极柱之间注入高分子材料形成密封件；所述生产工艺提高了电池盖板的密封性能，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池盖板技术领域，特别是涉及一种电池盖板的生产工艺以及电池盖板。
背景技术
锂电池的电池盖板可以对电池内部进行密封，保证锂电池的使用安全，现有技术中的盖板与极柱密封方式多采用氟橡胶圈压缩密封，这种密封方式存在密封性能不稳定，人工安装成本高、效率低、精度低等问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电池盖板的生产工艺以及电池盖板，用于解决现有技术中电池盖板密封性能低成本高等问题。
本发明提供了一种电池盖板的生产工艺，所述生产工艺包括以下步骤：
S1：提供电池盖板主体以及极柱，所述极柱包括负极极柱和正极极柱，所述正极极柱为铝材质，所述负极极柱为铜铝复合材质；S2：对所述电池盖板以及所述极柱进行预处理，所述预处理包括粗糙化处理、电解氧化以及活化处理；S3：装配预处理好的所述电池盖板主体和所述极柱，并在所述电池盖板主体和所述极柱之间注入高分子材料形成密封件；
其中，所述极柱的外表面凸起形成有位于所述极柱两端的第一凸沿和第二凸沿，所述极柱竖截面具有中轴线，所述电池盖板主体上具有极柱孔，所述极柱设置在所述极柱孔内，所述极柱孔具有由里向外依次远离所述中轴线的第一阶梯层、第二阶梯层以及第三阶梯层，所述极柱中至少部分第一凸沿以及所述第一凸沿以下的部分和所述第一阶梯层、第二阶梯层贴靠适配，所述第二阶梯层位于所述第一阶梯层上并连接在一起，所述第三阶梯层位于所述第二阶梯层上，所述第三阶梯层和所述第二阶梯层之间通过滑道连接，所述滑道和所述第三阶梯层之间形成锐角夹角α，所述密封件填充所述极柱孔并覆盖所述第二凸沿侧壁以及部分所述电池盖板主体；
所述第一凸沿的边缘距离所述中轴线的距离为D1，所述第二凸沿边缘距离所述中轴线的距离为D2，所述极柱孔开口边缘距离所述中轴线的距离为D3，且满足D1<D2<D3；
所述密封件的边缘距离所述中轴线的距离为S3，所述第三阶梯层靠近所述滑道一端的边缘距离所述中轴线的距离为S2，第二阶梯层靠近所述滑道一端的边缘距离中轴线的距离为S1，且满足S1<S2<S3。
本发明提供了一种电池盖板的生产工艺以及电池盖板，盖板表面经过表面处理，表面形成致密的有深度的纳米孔，注塑时塑胶分子流入纳米孔成型，提高了塑料分子与盖板的结合力，盖板表面处理处理了表面毛刺，提高表面的粗糙度，改善了焊接性能。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中电池盖板的剖视图。
图2显示为本发明一实施例中电池盖板的剖视图。
图3显示为本发明电池盖板主体的结构示意图。
图4显示为本发明一实施例中电池盖板的剖视图。
图5显示为本发明对比例1中电池盖板的剖视图。
图6显示为发明又一实施例中电池盖板的剖视图。
图7显示为本发明负极极柱的剖视图。
图8显示为本发明实施例2中正极极柱预处理后的表面扫描电镜图。
图9显示为本发明实施例2中负极极柱预处理后的铜板处的表面扫描电镜图。
具体实施方式
请参阅图1至图9。本发明提供了一种电池盖板的生产工艺，所述生产工艺包括如下步骤：
S1：提供电池盖板主体以及极柱；
S2：对所述电池盖板主体以及所述极柱进行预处理；
S3：装配预处理好的所述电池盖板主体和所述极柱，并在所述电池盖板主体和所述极柱之间注入高分子材料形成密封件。
如图1和图3所示，在步骤S1中，所述盖板主体1可以是铝材料冲压成型，所述铝材料可以是铝合金材料，所述盖板主体1上可以设置有极柱孔11，所述极柱2可以包括有正极极柱和负极极柱，所述正极极柱可以是铝材质，例如铝合金，如图7所示，所述负极极柱可以是铜铝焊接成型，铜铝连接可以通过铜板与铝板焊接加工成型，所述焊接可以是扩散焊焊接、爆炸焊接、摩擦焊焊接等，其中负极极柱中铜板2b的厚度可以为0.5~2mm，例如1mm、1.5mm等，进一步的，铝板2a位于所述铜板2b上，铝板2a的厚度大于铜板2b的厚度，负极极柱中铝板2a的厚度可以是2~10mm。进一步的，所述正极极柱可以和所述盖板主体1一体成型，所述一体成型可以是冲压成型。
本发明所述电池盖板1或者极柱2用的铝合金的元素含量范围可以是：0.45~2.8%Mg、0.05~0.15% Cu、0~0.8% Si、0.1~0.7% Fe、0.05~0.15% Mn、0.04~0.35% Cr、0~2.5% Zn、0~0.15% Ti，其余为Al以及少量杂质。具体的，所述铝合金可以是6063铝合金、1060铝合金、6061铝合金以及5052铝合金中的任意一种。
如图1和图3所示，在一些实施例中，所述极柱2的横截面可以是圆形结构，所述圆形的直径为6~50mm，例如10~40mm，进一步的，所述极柱2的竖截面具有中轴线O，所述极柱2包括有第一凸沿21以及第二凸沿22，所述第二凸沿22可以为从上至下逐渐远离所述中轴线O的阶梯状凸沿，所述第一凸沿21和第二凸沿22可以分布在所述极柱的两端，所述第一凸沿21边缘距离所述极柱中轴线O的距离D1小于所述第二凸沿22距离所述中轴线O的距离D2，所述第二凸沿22边缘距离所述中轴线O的距离D2小于所述极柱孔11开口边缘距离所述中轴线O的距离D3，即D1<D2<D3，D1=3~6mm，D2=5~8mm，D3=6~9mm。本发明对D1-D3进行限制，可以在保证结合强度的同时提高注塑时高分子材料的过流能力。
如图2和图3所示，所述第一凸沿21和所述第二凸沿22之间的距离H可以是2~6mm，进一步的，可以是4~6mm，所述H的高度大于第一凸沿21和第二凸沿22的高度之和。第一凸沿21和第二凸沿22围成的凹部距离所述极柱孔11开口边缘之间的宽度，即预留的缝隙W大于0.5mm且小于3mm。第一凸沿21的高度大于所述第二凸沿22的高度。
如图1和图2以及图3所示，所述电池盖板主体1上设置有极柱孔11，所述极柱孔11可以用以置入所述极柱2，所述极柱孔11可以包括有第一阶梯层11a、第二阶梯层11b以及第三阶梯层11c，所述第二阶梯层11b位于所述第一阶梯层11a上并连接在一起，所述第三阶梯层11c位于所述第二阶梯层11b上，所述第三阶梯层11c和所述第二阶梯层11b之间通过滑道S连接，所述第一凸沿21以及所述极柱2在所述第一凸沿21以下的部分可以和所述第一阶梯层11a以及第二阶梯层11b相适配，具体的，所述极柱2的第一凸沿21部分贴靠在所述第一阶梯层11a上，所述第一凸沿21的另一部分贴靠在所述第二阶梯层11b上，所述第一凸沿21至少部分超出所述第二阶梯层11b，进一步的，所述第一凸沿21超出所述第二阶梯层11a的部分为铜材质，所述滑道S和所述第三阶梯层11c之间形成有锐角夹角α，α的大小为40~60o，所述阶梯层从上至下具有逐渐靠近所述中轴线O的趋势。
如图2和图3所示，在一些实施例中，所述第一凸沿21和第二凸沿22可以对称设置在所述第三阶梯层11c的两侧，即距离所述第三阶梯层11c的高度相同。本发明所述极柱孔11内部采用阶梯层的结构设计并增大了H的高度，可以增加金属和高分子材料之间的结合面积，使得金属和高分子材料之间能快速的结合。
在步骤S2中，所述预处理包括前处理、粗糙、造孔、活化以及烘干等工序。
如图1所示，所述前处理包括对所述盖板主体1以及所述极柱2表面进行除油处理，所述除油主要去除工件表面油污、尘屑等污染物，裸露出洁净的铝表面，所述除油使用的除油剂为弱碱性除油剂。所述除油的温度为50~60oC，所述除油时间为3~8min。
所述前处理包括碱蚀，所述碱蚀主要去除极柱2以及电池盖板主体1表面的自然氧化膜，裸露活跃的金属基材，碱蚀采用的是碱蚀液进行腐蚀，所述碱蚀液可以包括有氢氧化钠和多羟基络合物，所述多羟基络合物例如可以是葡萄糖酸钠。所述碱蚀液中氢氧化钠的浓度为60~70g/L，多羟基络合物的浓度为5~10g/L，碱蚀的温度为55~65oC，碱蚀的时间为40~90s。
所述前处理包括第一酸洗，所述第一酸洗主要是通过酸和氧化剂对金属基材腐蚀后硅、铜、铁等元素在碱液内的不溶物及氢氧化物进行清洗，裸露出洁净表面，清洗不干净会导致后续氧化膜掉灰、氧化膜生产不均匀等现象。
所述第一酸洗液包括酸和氧化剂，所述酸可以是硫酸、硝酸中的任意一种或两种组合，所述酸洗液中酸的浓度可以是20~25%。
在步骤S2中，所述粗糙工序包括有第一粗糙工序，所述第一粗糙主要是通过氧化剂和酸的作用在金属表面产生点状浸蚀，氧化剂对金属选择性的腐蚀产生粗糙度，所述第一粗糙工序中采用的第一粗糙液包括有硫酸和过氧化氢，所述第一粗糙液中硫酸的浓度为50~60g/L，所述过氧化氢的浓度为15~20%，所述第一粗糙工序的温度为50~60oC，时间为2~3min。
所述粗糙工序包括有第二粗糙工序，所述第二粗糙工序主要是通过氢氧化钠沿着第一粗糙工序腐蚀的纹路进行进一步剧烈腐蚀增加粗糙度，所述第二粗糙的溶液的氢氧化钠的浓度为60~70g/L，温度为55~65oC，时间为1~2min。
所述第二粗糙后可以进行第二酸洗，第二酸洗是通过酸对铝材腐蚀后硅、铜、铁等元素在碱液内的不溶物及氢氧化物进行清洗，裸露出洁净表面，清洗不干净会导致后续氧化膜掉灰、氧化膜生产不均匀等现象。
所述造孔工序可以是电解氧化工艺，所述电解氧化工艺主要是在电解液中通过电化学氧化在金属表面产生一定粗糙度的纳米孔，形成氧化膜。所述电解氧化工艺用的电解氧化剂包括磷酸8~25%，有机酸0.4~1.5%，润湿剂0.03~0.15%，余量为水。所述电解氧化工艺的温度为18~20oC，时间为10~15min，电压为20~30V。其中所述有机酸可以是植酸，所述润湿剂可以是丙三醇、聚乙二醇中的任意一种或多种。
所述活化工序包括第一活化工序，所述第一活化工序主要是通过第一活化剂浸泡，清洗氧化微孔内的酸根、疏松的金属氧化物，起到清洁扩大微孔的作用。所述第一活化工序的温度为20~30oC，时间为1~3min，第一活化剂的pH为9.5~11.5。所述第一活化剂包括以下重量份原料：弱碱性盐0.1~2%，缓蚀剂0.1~1%，表面活性剂0.1~0.6%，余量为水。所述弱碱性盐包括硼酸盐，例如四硼酸钠。
所述活化工序包括有第二活化工序，所述第二活化工序的温度为20~30oC，时间为1~3min，所述第二活化剂包括以下重量份原料：有机碱0.1~0.4%，缓蚀剂0.2~0.6%，表面活性剂0.02~0.08%，余量为水。所述第二活化工序通过弱碱作用进行微孔疏通扩大，吸附表面活性物增加金属与树脂之间的附着力。所述有机碱包括三乙胺，三乙烯二胺（DABCO），DBU，DBN，DMAP，吡啶，N-甲基吗啉，四甲基乙二胺，TMG中的任意一种或多种。所述缓蚀剂为钼酸钠以及磷酸二氢铵中的任意一种，所述缓蚀剂可以防止过度腐蚀。
所述活化工序包括第三活化工序，所述第三活化工序中活化液内含有具有缓蚀、润湿、偶联吸附等活性物价，通过与金属基材及纳米孔的相互作用，吸附活性物增加金属与高分子之间的附着力。所述第三活化剂包括以下重量份原料：渗透剂0.5~2%，缓蚀剂0.1~1%，表面活性剂0.1~0.6%，余量为水。所述第三活化工序的温度为20~30oC，时间为4~6min。
其中，所述渗透剂为磷酸盐、柠檬酸盐、葡萄糖酸钠、酒石酸钠、EDTA钠盐、NTA钠盐、HEDP钠盐等等。所述表面活性剂为硅烷偶联剂。
如图8和图9所示，经过活化得到的电池盖板主体1或者极柱2表面具有0.5~10μm的粗糙度，例如1μm、2μm，并且具有微孔，铝合金表面微孔的孔径为30~70nm，铜金属表面的微孔孔径范围为100~200nn。
所述烘干工序的温度为60~80oC，烘干时间为20~40min。本发明所述烘干工序不宜超过80oC，否则会破坏氧化膜。
以上每个步骤结束后还包括纯水清洗工序，所述纯水的电导率小于8μs/cm，所述纯水的pH为6~8。
在步骤S3中，所述高分子材料为聚苯基硫醚（PPS）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等材料中的任意一种或多种组合，所述高分子材料的成型收缩率为0.4~0.7%，例如0.5%，本发明采用具有较小成型收缩率的高分子材料，可以增强密封件3和电池盖板主体1、极柱2之间的结合强度。在一些实施例中，所述密封件3还包括有增强成分，例如玻璃纤维等。
如图4所示，在步骤S3中，在所述正负极极柱2与所述电池盖板主体1之间注入高分子材料并采用低温注塑工艺形成密封件3以实现所述盖板主体1和所述极柱2的密封，所述低温注塑压力为100~400Mpa，注塑速度100~1000mm/s，进一步优选注塑压力100~300Mpa，注塑速度300~800mm/s。本发明需要保证一定的注塑速度，这样能保证高分子材料尽快的填充在孔隙中，提高结合强度。所述低温注塑的温度为150~250oC。本发明注塑速度不够容易导致金属和高分子材料结合的位置漏铝或者形成锯齿状的结合面。
如图4所示，进一步的，所述密封件3整体将所述第二凸沿22的侧壁进行包裹覆盖，成型后的密封件3的边缘距离所述中轴线O的距离S3大于第三阶梯层11c靠近所述滑道S一端的边缘距离所述中轴线O的距离S2，所述第三阶梯层11c靠近所述滑道S一端的边缘距离所述中轴线O的距离S2大于所述第二阶梯层11b靠近所述滑道S一端的边缘距离中轴线O的距离S1，即S1<S2<S3。具体的，S1取值范围为8~10mm，S2取值范围为9~12mm，S3取值范围为10~13mm。
如图4所示，在一些实施例中，所述密封件3在所述电池盖板主体1上形成的结构外轮廓为矩形或者圆形。
如图6所示，在一些实施例中，盖板主体1上面开有注液孔12，电池注液完成以后通过注液孔12密封塞完成密封功能。通过注液孔12及注液孔密封盖装配设计实现一定压力下泄压的功能。
如图6所示，在一些实施例中，盖板主体下面有装配塑胶件4，用于实现盖板主体1与电芯内其他部件的绝缘。
以下通过具体实施例进一步说明和解释本发明。
实施例1
如图2和图4所示，一种电池盖板的生产工艺，包括以下步骤：
S1：提供电池盖板主体以及极柱，电池盖板主体和正极极柱一体冲压成型，负极极柱采用铜铝复合而成，铜板厚度为2mm，铝合金厚度为5mm，本实施例铝采用1060铝合金；
S2：对电池盖板主体以及负极极柱进行预处理，所述预处理包括前处理、粗糙、造孔、活化以及烘干；
S3：装配预处理好的所述电池盖板主体和所述负极极柱，并在所述电池盖板主体和所述负极极柱之间注塑80%PPS +20%玻璃纤维形成密封件。
其中，D1=5mm，D2=7mm，D3=8mm，H=6mm，W=2mm，S1=10mm，S2=12mm，S3=13mm，α=60o，负极极柱第一凸沿以及以下的部分为铜材质；
将实施例1制备得到的电池盖板进行拉力测试显示盖板主体以及负极极柱与密封件之间的结合强度为34Mpa，盖板主体以及负极极柱表面具有明显的有密封件高分子残留。
实施例2
如图2和图4所示，一种电池盖板的生产工艺，包括以下步骤：
S1：提供电池盖板主体以及极柱，负极极柱采用铜铝复合而成，铜板厚度为2mm，铝合金厚度为5mm，正极极柱采用铝材质，本实施例铝采用5052铝合金；
S2：对电池盖板主体以及正极、负极极柱进行预处理，所述预处理包括前处理、粗糙、造孔、活化以及烘干；
S3：装配预处理好的所述电池盖板主体和所述正极极柱、负极极柱，并在所述电池盖板主体和所述极柱之间注塑80%PPS +20%玻璃纤维形成密封件。
其中， D1=5mm，D2=7mm，D3=8mm，H=6mm，W=2mm，S1=10mm，S2=12mm，S3=13mm，α=60o，负极极柱第一凸沿以及以下的部分为铜材质，其余制备工艺与实施例1相同。
将实施例1制备得到的电池盖板进行拉力测试显示盖板主体以及负极极柱与密封件之间的结合强度为32Mpa，盖板主体以及正极极柱与密封件之间的结合强度为28Mpa，盖板主体以及极柱表面具有明显的有密封件高分子残留。
对比例1
如图5所示，对比例1采用和实施例1相同的工艺，极柱和盖板主体之间的具体结构如图5所示，极柱上不设置凸沿以及滑道，即S1=8mm，α=90o，D=5mm，S3=13mm，D3=S2=S1=8mm。
将对比例1制备得到的电池盖板进行拉力测试显示盖板主体以及负极极柱与密封件之间的结合强度为20Mpa，盖板主体以及负极极柱表面具有较少的密封件高分子残留。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种电池盖板的生产工艺，其特征在于，所述生产工艺包括以下步骤：
S1：提供电池盖板主体以及极柱，所述极柱包括负极极柱和正极极柱，所述正极极柱为铝材质，所述负极极柱为铜铝复合材质；
S2：对所述电池盖板以及所述极柱进行预处理，所述预处理包括粗糙化处理、电解氧化以及活化处理；
S3：装配预处理好的所述电池盖板主体和所述极柱，并在所述电池盖板主体和所述极柱之间注入高分子材料形成密封件；
其中，所述极柱的外表面凸起形成有位于所述极柱两端的第一凸沿和第二凸沿，所述极柱竖截面具有中轴线，所述电池盖板主体上具有极柱孔，所述极柱设置在所述极柱孔内，所述极柱孔具有由里向外依次远离所述中轴线的第一阶梯层、第二阶梯层以及第三阶梯层，所述极柱中至少部分第一凸沿以及所述第一凸沿以下的部分和所述第一阶梯层、第二阶梯层贴靠适配，所述第二阶梯层位于所述第一阶梯层上并连接在一起，所述第三阶梯层位于所述第二阶梯层上，所述第三阶梯层和所述第二阶梯层之间通过滑道连接，所述滑道和所述第三阶梯层之间形成锐角夹角α，所述密封件填充所述极柱孔并覆盖所述第二凸沿侧壁以及部分所述电池盖板主体；
所述第一凸沿的边缘距离所述中轴线的距离为D1，所述第二凸沿的边缘距离所述中轴线的距离为D2，所述极柱孔开口边缘距离所述中轴线的距离为D3，且满足D1<D2<D3；
所述密封件的边缘距离所述中轴线的距离为S3，所述第三阶梯层靠近所述滑道一端的边缘距离所述中轴线的距离为S2，第二阶梯层靠近所述滑道一端的边缘距离所述中轴线的距离为S1，且满足S1<S2<S3。
2.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述第二凸沿为从上至下逐渐远离所述中轴线的阶梯状凸沿。
3.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述粗糙化处理包括第一粗糙、第二粗糙，第一粗糙液包括有硫酸和过氧化氢，其中所述硫酸的浓度为50~60g/L，所述过氧化氢的浓度为15~20%，所述第一粗糙的温度为50~60oC，时间为2~3min；第二粗糙液采用浓度为60~70g/L氢氧化钠，第二粗糙的温度为55~65oC，时间为1~2min。
4.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述电解氧化用的电解氧化剂组分为磷酸8~25%，有机酸0.4~1.5%，润湿剂0.03~0.15%，余量为水，所述电解氧化的温度为18~20oC，时间为10~15min，电压为20~30V。
5.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述活化包括依次进行的第一活化、第二活化以及第三活化，其中第一活化剂包括以下组分：弱碱性盐0.1~2%，缓蚀剂0.1~1%，表面活性剂0.1~0.6%，余量为水；
第二活化剂包括以下组分：有机碱0.1~0.4%，缓蚀剂0.2~0.6%，表面活性剂0.02~0.08%，余量为水；
所述第一活化以及第二活化的温度为20~30oC，时间为1~3min；
第三活化剂包括以下组分：渗透剂0.5~2%，缓蚀剂0.1~1%，表面活性剂0.1~0.6%，余量为水，所述第三活化的温度为20~30oC，时间为4~6min。
6.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述第一凸沿和所述第二凸沿之间形成的凹部距离所述极柱孔开口边缘之间的宽度W大于0.5mm且小于3mm，所述第一凸沿的高度大于所述第二凸沿的高度。
7.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述锐角夹角α的度数为40~60o。
8.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述预处理还包括烘干，所述烘干的温度为60~80oC，烘干时间为20~40min。
9.如权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述极柱采用的铝为铝合金，铝合金的元素组分为：0.45~2.8% Mg、0.05~0.15% Cu、0~0.8% Si、0.1~0.7% Fe、0.05~0.15% Mn、0.04~0.35% Cr、0~2.5% Zn、0~0.15% Ti，其余为Al以及少量杂质。
10.如权利要求1~9任意一项所述的生产工艺制备得到的电池盖板。
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