TWI643382B - High-tightness integrated molded battery case and molding method thereof - Google Patents

Abstract

一種高密封性一體成型電池外殼，採用鋁合金材質製成中空筒狀，並包含一底壁及一周壁。該底壁包括一體成型地凸於一外側面的一電極，該周壁一體成型地由該底壁周緣沿一軸線延伸而成，且圍繞該軸線呈連續圓筒狀，該周壁與該底壁共同界定出一呈單向開放的容納空間。該電池外殼的成型方法包含製備一胚材以及一沖壓設備，並依序進行成型作業、整型作業等步驟，透過上述步驟可使呈塊狀的胚材逐漸成一體成型且呈單向開放之中空筒狀的電池外殼。

Description

高密封性一體成型電池外殼及其成型方法

本發明是有關於一種鋰電池，特別是指一種高密封性一體成型電池外殼及其成型方法。

鋰鐵電池為近年來持續受到關注的新型態電池，因為其具有諸多優點，未來成為電池發展主流之趨勢銳不可擋，但是其體積大、需要採多個電池串聯之方式，以及價格高的問題，導致其目前大多使用於電動車輛載具上。而汽車鋰鐵電池的使用量極大，普通小客車約得使用32113規格的電池400顆，使得電池在品質及重量控管要求高，目前在電池外殼製造上，除了製程繁複、製造期程長外，難以穩定控制的精度問題，導致成品良率約在95%左右，無法應付來自全球高階鋰鐵電池之訂單需求。

就市場需求而言，目前在全球各國的施行政策上，都以新興能源電池為重大發展指標，其中以中國大陸最為積極，在電動汽車方面，中國大陸官方認為現有汽車工業無法追上已趨近頂尖歐、美、日各國，因此，在電動車環境還沒成熟之前，中國大陸將 致力於此一產業之發展，以追求未來之極致卓越，並藉此躍升新興汽車工業大國。

中國大陸政府因應物聯網的發展趨勢和環保節能意識抬頭，已明確將電動車列入重點發展產業。大陸科技部網站2015年2月16日發佈《國家重點研發計劃新能源汽車重點專項實施方案(徵求意見稿)》，指出2020年將建立完善的電動汽車動力系統科技體系和產業鏈，實現新能源汽車保有量達到500萬輛。

目前鋰電池外殼之製造方式，主要採用拉延與捲繞兩種方式。以拉延方式進行外殼之製造，可以採用連續模的方式，且將薄鋼板透過五到六次之沖壓，得到單向開放之深孔圓筒，但是採用拉延方式，因為鋼材的延展性低，所以是利用外型形變的方式，因此具有良率較低的問題，無法穩定控制每一壁厚之平均性，多半應用在單一價格低的一次性電池外殼製作上。採用拉延方式製成的電池外殼，壁厚約0.9mm，單顆重量為102.4g，良率95%，產能約2700個/天，雖然產能高，但成品的尺寸受限。

另外，採用捲繞之方式，是透過自動化機械之應用，將薄鋼板彎折成圓筒狀，利用裁切與焊接的方式，得到壁厚一致性高的單向開放之深孔圓筒，此方式製成的電池外殼所產生的缺點在於：難以控制圓筒之真圓度與同心度，並且成品有一焊接不平整接 面。採用捲繞方式製成的電池外殼，壁厚約1mm，單顆重量為98.5g，產能約2500個/天，漏液風險高。

以上兩種方式在最後仍需要進行套蓋與焊接的動作，才能使電池外殼具有一正極接點，整體之製程較為繁複耗時，在單一電池上差異不明顯，但是在動輒需要上千百顆的大型車用電池上，就會顯現出可觀的價差。

因此，本發明之一目的，即在提供一種結構簡單、製造組配容易、可降低製造成本且輕量化的高密封性一體成型電池外殼。

本發明之另一目的，即在提供一種可縮短製造期程、客降低製造成本的高密封性一體成型電池外殼的成型方法。

於是，本發明高密封性一體成型電池外殼，沿一軸線延伸且呈中空筒狀，並採用鋁合金材質製成，該電池外殼包含一底壁及一周壁。該底壁垂直於該軸線，並包括一外側面、一相反於該外側面的內側面，以及一體成型地凸於該外側面的一電極。該周壁一體成型地由該底壁周緣沿該軸線延伸而成，且圍繞該軸線呈連續圓筒狀，該周壁與該底壁共同界定出一呈單向開放的容納空間，該周壁垂直於該軸線的壁厚大於0.45mm，小於0.9mm。

本發明高密封性一體成型電池外殼的成型方法，包含下列步驟：(A)製備一胚材，以及一沖壓設備，該胚材採用鋁合金材質製成塊狀，該沖壓設備包括一沖模、一成型沖頭，以及一整型沖頭，該沖模具有一模穴，該模穴由一模底面，以及一由該模底面周緣沿軸向延伸而成的內模面共同界定而成，該模底面凹設有一與該模穴相連通的凹孔，該成型沖頭與該沖模同心設置且設置於該沖模一側，且沿軸向延伸呈柱狀，該整型沖頭可與該沖模同心設置且設置於該沖模一側，且沿軸向延伸呈柱狀，該整型沖頭具有一外周面，以及多數凸設於該外周面且間隔設置的凸環。(B)成型作業：將該胚材置入該沖模的模穴中，並利用該成型沖頭相對於該沖模進行沖壓成型動作，可形成一粗胚，該粗胚呈單向開放的中空圓筒狀。(C)整型作業：該粗胚留置於該沖模的模穴中，並利用該整型沖頭相對於該沖模進行沖壓整型動作，利用該等凸環再繼續對粗胚進行拉延整型且成型為一電池外殼，該電池外殼包含一底壁及一周壁，該底壁垂直於一軸線，並包括一相對於該模底面的外側面、一相反於該外側面的內側面，以及一體成型地凸於該外側面且透過該凹孔所塑形而成的一電極，該周壁由該底壁周緣沿該軸線延伸而成，且圍繞該軸線呈連續延伸狀，該周壁與該底壁共同界定出一呈單向開放的容納空間。

本發明之功效在於：利用上述步驟所製成的電池外殼，不僅製程簡單、可縮短製造期程，且可提高成品良率與剛性，亦具有輕量化及降低成本之功效，非常符合產業大量製造的需求。

10‧‧‧電池外殼

L‧‧‧軸線

11‧‧‧底壁

111‧‧‧外側面

112‧‧‧內側面

113‧‧‧電極

140‧‧‧凹孔

200‧‧‧成型沖頭

210‧‧‧第一頂端

220‧‧‧第一沖擊端

230‧‧‧外表面

240‧‧‧第一擴徑段

114‧‧‧內凸部

115‧‧‧穿孔

12‧‧‧周壁

13‧‧‧容納空間

t‧‧‧壁厚

1‧‧‧胚材

2‧‧‧沖壓設備

100‧‧‧沖模

110‧‧‧模穴

120‧‧‧模底面

130‧‧‧內模面

250‧‧‧第一窄徑段

260‧‧‧沖擊段

270‧‧‧沉孔

300‧‧‧整型沖頭

310‧‧‧第二頂端

320‧‧‧第二沖擊端

330‧‧‧外周面

340‧‧‧凸環

350‧‧‧貫孔

10’‧‧‧粗胚

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明高密封性一體成型電池外殼一實施例的一仰視立體圖；圖2是該實施例的一剖面圖；圖3是本發明高密封性一體成型電池外殼的成型方法一實施例所配合的一沖壓設備的平面示意圖；圖4是該成型方法實施例之一成型沖頭的平面圖；圖5是該成型方法實施例之整型沖頭的平面圖；及圖6是該成型方法實施例之一製造流程示意圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明高密封性一體成型電池外殼10之一實施例，沿一軸線L延伸且呈中空筒狀，並採用鋁合金材質製成，該電池外殼包含一底壁11及一周壁12。

該底壁11垂直於該軸線L，並包括一外側面111、一相反於該外側面111的內側面112、一對應該軸線L且一體成型地凸於該外側面111的電極113、一對應該軸線L且一體成型地凸於該內側面112的內凸部114，以及一貫穿該外側面111與該內側面112的穿孔115。

該周壁12一體成型地由該底壁11周緣沿該軸線L延伸而成，且圍繞該軸線L呈連續圓筒狀，該周壁12與該底壁11共同界定出一呈單向開放的容納空間13，該周壁12垂直於該軸線L的壁厚t大於0.45mm，小於0.9mm，本實施例的壁厚t為0.5mm。

該電池外殼10總重量大於20g，小於25g，本實施例的電池外殼10為22.8g。且該電池外殼10之鋁合金材質組分為矽(Si)0.6%、鐵(Fe)0.7%，銅(Cu)0.05~0.20%、錳(Mn)1.0~1.5%、鋅(Zn)0.10%，其它微量元素0.15%，餘量為鋁(Al)。

本發明用來製造高密封性一體成型電池外殼10的成型方法，包含下列步驟：

步驟一：配合參閱圖3，製備一胚材1，以及一沖壓設備2，該胚材1採用鋁合金材質(參上述鋁合金材質組分)製成塊狀，該沖壓設備2包括一沖模100、一成型沖頭200，以及一整型沖頭300。該沖模100具有一模穴110，該模穴110由一模底面120，以 及一由該模底面120周緣沿軸向延伸而成的內模面130共同界定而成，該模底面120凹設有一與該模穴110相連通的凹孔140。該成型沖頭200與該沖模100同心設置且設置於該沖模100一側，且沿軸向延伸呈柱狀，該成型沖頭200具有一第一頂端210、一沿軸向相反於該第一頂端210的第一沖擊端220，以及一由該第一頂端210延伸至該第一沖擊端220的外表面230，該外表面230具有一趨近於該第一頂端210的第一擴徑段240、一由該第一擴徑段240朝該第一沖擊端220延伸的第一窄徑段250、一對應於該第一沖擊端220且銜接於該第一窄徑段250一側的沖擊段260，以及一由該第一沖擊端220凹設的沉孔270，該第一窄徑段250的圓徑小於該第一擴徑段240及該沖擊段260，該沖擊段260的圓徑小於該第一擴徑段240。該整型沖頭300可與該沖模100同心設置且設置於該沖模100一側，且沿軸向延伸呈柱狀，該整型沖頭300具有一第二頂端310、一沿軸向相反於該第二頂端310的第二沖擊端320、一由該第二頂端310延伸至該第二沖擊端320的外周面330、多數凸設於該外周面330且沿軸向間隔設置的凸環340，以及一由該第二頂端310延伸至該第二沖擊端320的貫孔350。

步驟二：配合參圖4及圖6，進行成型作業，將該胚材1置入該沖模100的模穴110中，並利用該成型沖頭200相對於該沖模 100進行沖壓成型動作，可形成一粗胚10’，該粗胚10’呈單向開放的中空圓筒狀。在成型作業中使用磷酸鹽溶液進行潤滑處理。

步驟三：配合參圖5及圖6，進行整型作業，該粗胚10’留置於該沖模100的模穴110中，並使該沖模100位移至對應於該整型沖頭300，利用該整型沖頭300相對於該沖模100進行沖壓整型動作，且利用該等凸環340再繼續對粗胚10’進行拉延整型且成型為該電池外殼10，且使該電池外殼10包含一體成型的底壁11、該周壁12、凸於該外側面111的電極113、凸於該內側面112的內凸部114。在整型作業中使用磷酸鹽溶液進行潤滑處理。

步驟四：對該底壁11進行沖製該穿孔115的作業，即可製得如圖1、圖2所示的電池外殼10。

利用本發明上述的成型方法，以及所製成的電池外殼10，具有下列功效：

一、利用一體成型製程可以提高成品的良率(99%)及剛性，沒有傳統組裝、焊接所遭遇到的問題，也因為一體成型的結構，使得產品不易產生結構脆弱點，較無斷裂、破損等問題發生。一體成型的製程，也較為精簡，可以縮短產品製造期程。

二、採用冷鍛製造無須進行二此加工，鍛出後即為成品，表面光滑無瑕疵，採用連續過模的方式，適合大量製造，並且具備有極高的製造精度，且透過冷鍛時之金屬材料延展成型，提升 物性與強度，製程中無須加熱亦無排放冷卻液之問題，是一種符合環保之鍛造方式。

三、針對該電池外殼10製作，開發專用之沖模100、成型沖頭200及整型沖頭300，經由成型、整型及沖孔三道工序，使成品可控制在真圓度100μm及同心度30μm的高精度。

四、該電池外殼10使用高純度的鋁合金材料進行加工，具有質量輕、強度高、耐腐蝕、導電性佳等優點，與傳統之電池外殼多採用鋼材製作，鋁合金材質具有質量輕、剛性強，管壁可以做得更薄，因此可大幅降低材料重量。

五、在成型作業及整型作業均中使用磷酸鹽溶液進行潤滑處理，可以提高鋁合金沖壓穩定性，並使鋁合金能夠順利於模具內成型，使得原本直徑32mm、高10.5mm之扁平圓塊胚料1，可以沖壓成外徑32mm、內徑31mm、高119mm之中空圓柱，將近10倍之變形量，因為無須再經過其他步驟，冷鍛完成後即為成品，且表面光滑無瑕疵，具有較高的穩定性與製造精度。再者，使用磷酸鹽溶液進行潤滑處理，可延長該沖壓設備2的使用壽命、降低成本。

利用沖模100、成型沖頭200及整型沖頭300的配合，可製成一體成型的電池外殼10，省去套蓋與焊接的工序，並減少製程的不穩定性，且利用該成型沖頭200的外表面230具有第一擴徑段240、第一窄徑段250、沖擊段260等部位，能夠沖壓出深筒狀造 型，粗胚10’不會因為初打收縮的效果導致成型沖頭200無法脫模，而該整型沖頭300是在該外周面330凸設有多道沿軸向間隔設置的凸環340(凸出外周面100μm)，透過每一個凸環340的推壓，得到壁厚t一致0.5mm，真圓度100μm，同心度30μm的深筒狀成品。

綜上所述，本發明高密封性一體成型電池外殼的結構簡單、製造容易，質輕，可降低成品，本發明高密封性一體成型電池外殼的成型方法，步驟簡單、可縮短製造期程，可降低成品，成品精度高，確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (9)

1. 一種高密封性一體成型電池外殼，沿一軸線延伸且呈中空筒狀，並採用鋁合金材質製成，該電池外殼包含：一底壁，垂直於該軸線，並包括一外側面、一相反於該外側面的內側面，以及一體成型地凸於該外側面的一電極；及一周壁，一體成型地由該底壁周緣沿該軸線延伸而成，且圍繞該軸線呈連續圓筒狀，該周壁與該底壁共同界定出一呈單向開放的容納空間，該周壁垂直於該軸線的壁厚大於0.45mm，小於0.9mm。
2. 如請求項1所述的高密封性一體成型電池外殼，總重量大於20g，小於25g。
3. 如請求項1所述的高密封性一體成型電池外殼，其中，該底壁還具有一貫穿該外側面與該內側面且由該容納空間連通至外部的穿孔。
4. 一種高密封性一體成型電池外殼的成型方法，包含下列步驟：(A)製備一胚材，以及一沖壓設備，該胚材採用鋁合金材質製成塊狀，該沖壓設備包括一沖模、一成型沖頭，以及一整型沖頭，該沖模具有一模穴，該模穴由一模底面，以及一由該模底面周緣沿軸向延伸而成的內模面共同界定而成，該模底面凹設有一與該模穴相連通的凹孔，該成型沖頭與該沖模同心設置且設置於該沖模一側，且沿軸向延 伸呈柱狀，該整型沖頭可與該沖模同心設置且設置於該沖模一側，且沿軸向延伸呈柱狀，該整型沖頭具有一外周面，以及多數凸設於該外周面且沿軸向間隔設置的凸環；(B)成型作業：將該胚材置入該沖模的模穴中，並利用該成型沖頭相對於該沖模進行沖壓成型動作，可形成一粗胚，該粗胚呈單向開放的中空圓筒狀；及(C)整型作業：該粗胚留置於該沖模的模穴中，並利用該整型沖頭相對於該沖模進行沖壓整型動作，利用該等凸環再繼續對粗胚進行拉延整型且成型為一電池外殼，該電池外殼包含一底壁及一周壁，該底壁垂直於一軸線，並包括一相對於該模底面的外側面、一相反於該外側面的內側面，以及一體成型地凸於該外側面且透過該凹孔所塑形而成的一電極，該周壁由該底壁周緣沿該軸線延伸而成，且圍繞該軸線呈連續延伸狀，該周壁與該底壁共同界定出一呈單向開放的容納空間。
5. 如請求項4所述的高密封性一體成型電池外殼的成型方法，還包含一位於步驟(C)之後的步驟(D)，該步驟(D)是對該底壁進行沖孔作業，並使該底壁還具有一貫穿該外側面與該內側面且由該容納空間連通至外部的穿孔。
6. 如請求項4所述的高密封性一體成型電池外殼的成型方法，其中，步驟(B)之成型作業，以及步驟(C)整型作業中均使用磷酸鹽溶液進行潤滑處理。
7. 如請求項4所述的高密封性一體成型電池外殼的成型方法，其中，步驟(C)所製成的電池外殼的周壁垂直於該軸線的壁厚大於0.45mm，小於0.9mm。
8. 如請求項4所述的高密封性一體成型電池外殼的成型方法，其中，步驟(C)所製成的電池外殼的總重量大於20g，小於25g。
9. 如請求項4所述的高密封性一體成型電池外殼的成型方法，其中，步驟(A)所製備之成型沖頭具有一第一頂端、一沿軸向相反於該第一頂端的第一沖擊端，以及一由該第一頂端延伸至該第一沖擊端的外表面，該外表面具有一趨近於該第一頂端的第一擴徑段、一由該第一擴徑段朝該第一沖擊端延伸的第一窄徑段、一對應於該第一沖擊端且銜接於該第一窄徑段一側的沖擊段，以及一由該第一沖擊端凹設的沉孔，該第一窄徑段的圓徑小於該第一擴徑段及該沖擊段，該沖擊段的圓徑小於該第一擴徑段，該整型沖頭還具有一第二頂端、一沿軸向相反於該第二頂端的第二沖擊端，以及一由該第二頂端延伸至該第二沖擊端的貫孔。