基本信息
- 項目名稱：
- 動力電池鋼殼的單體噴鍍方法及裝置
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品創(chuàng)造性地提出了動力電池鋼殼的單體噴鍍方法，結合電池鋼殼單體噴鍍的特點，研制了電池鋼殼單體噴鍍機。利用此技術與裝置對電池鋼殼進行單體噴鍍，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，滿足了動力電池對鋼殼一致性的要求。
- 詳細介紹：
- 所屬領域：新能源材料（動力電池鋼殼） 隨著電動單車、電動摩托車等電動交通工具的發(fā)展，特別是電動汽車以其無污染、高效率、無噪音、經(jīng)久耐用等特點躍升成為21世紀重要的新型綠色環(huán)保交通工具，電池作為電動交通工具的心臟部分，也逐步由儲能型向動力型轉變。為了滿足動力電池高性能需求，無論對其正極材料、負極材料、電解液、隔膜紙以及外殼都提出了新的要求。 目前，人們對動力電池的正極材料、負極材料、電解液以及隔膜紙都進行了大量的研究，并且取得了一定的成果，對電池外殼的關注則比較少。2008年9月召開的第一屆動力鋰電池國際會議的論文分類統(tǒng)計中，112篇論文，只有9篇是關于安全性能的，而動力電池的安全性能是限制電動汽車發(fā)展的瓶頸。 電池外殼（鋼殼）材料的制備是動力電池制備過程中一個重要環(huán)節(jié)，直接影響動力電池的安全性、存儲性等各項性能。動力電池需要大電流充放電，循環(huán)使用，且需經(jīng)受振動、撞擊、高低溫和潮濕等機械和環(huán)境考驗，因此對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，美國特斯拉公司已在全球范圍內(nèi)率先量產(chǎn)了一款純電動跑車，其電源系統(tǒng)是由6831個18650型動力電池串、并聯(lián)組成。用于電動汽車和電動工具的動力型電池對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)這種高性能的動力電池。 傳統(tǒng)電池鋼殼的生產(chǎn)工藝主要有滾鍍和預鍍兩種。 滾鍍，是把低碳鋼帶沖壓成型為電池鋼殼后進行轉筒滾鍍的方法。滾鍍方法工藝設備和過程相對簡單，易組織生產(chǎn)；缺點是由于電池鋼殼是盲孔，管徑與孔深之比達1：4以上，使表面鍍層厚度不均勻，影響電池性能。 預鍍，是先將鋼帶電鍍鎳，然后再拉伸沖壓成電池鋼殼。其優(yōu)點在于鋼殼內(nèi)外鍍層均勻，不會出現(xiàn)漏鍍；但是存在明顯的缺點，即在深沖的過程中鍍層易開裂，降低鋼殼的力學性能和耐腐蝕性能。 針對以上結癥所在，本作品創(chuàng)造性地提出了動力電池鋼殼的單體噴鍍方法，并結合電池鋼殼單體噴鍍的特點，研制了電池鋼殼單體噴鍍機。對電池鋼殼進行單體噴鍍，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，滿足了動力電池鋼殼更高的要求。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的：電動交通工具在迅猛發(fā)展，對動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鍍兩種，但無法滿足動力電池對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，既能保證鋼殼內(nèi)外鍍層均勻性，又能避免鍍層開裂問題，滿足了動力電池對鋼殼的要求。 基本思路：為克服電池鋼殼滾鍍出現(xiàn)的鍍層不均和預鍍鋼殼出現(xiàn)的鍍層開裂問題，本作品提出的動力電池鋼殼的單體噴鍍方法在保障鍍層質(zhì)量的同時，還能實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。 創(chuàng)新點：1）提出電池鋼殼的單體噴鍍方法，采用PLC控制器、機械臂、氣缸、電鍍槽、鍍液噴射裝置等組成動力電池鋼殼單體噴鍍裝置，實現(xiàn)電池鋼殼的單體噴鍍； 2）提出了間歇式多點給電方法，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多次噴鍍，解決了接觸點漏鍍的問題； 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。 技術關鍵：1）通過控制電流密度和噴管分布，實現(xiàn)了噴鍍電池鋼殼時內(nèi)外壁的鍍層均勻； 2）通過噴管孔徑大小設置，運用流量計來控制鍍液的流速，實現(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。 主要技術指標：生產(chǎn)率≥1200個/小時；電流效率≥96%；鍍層孔隙率0.5個/d㎡；鍍層厚度偏差±0.15μm；耐腐蝕性8小時中性鹽霧試驗 ≥保護9級
科學性、先進性
- 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鍍。滾鍍過程中清洗困難、鍍液鍍深能力不足和電鍍時尖端放電等原因，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。預鍍不足之處在于沖壓成型后，鋼殼表面鍍層通常會開裂，這樣會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，參觀了電池鋼殼生產(chǎn)車間，最后確定了研究方向。本項目的開發(fā)注重電鍍方法的創(chuàng)新和設計的巧妙。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。 從作品特點來看：1）提出了單體噴鍍的方法，實現(xiàn)了電池鋼殼的單體噴鍍；2）提出了間歇式多點給電的方法，解決了接觸點漏鍍的問題； 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，具有廣闊的市場前景。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年第九屆“挑戰(zhàn)杯”湖南省大學生課外學術科技作品競賽特等獎
作品所處階段
- 實驗室階段，并與廣州東時創(chuàng)展簽約，初期擬投入300萬元開始進行中試線建設及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線的開發(fā)。
技術轉讓方式
- 技術轉讓，合作開發(fā)等方式
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：1）開啟電源及氣源 2）開機 3）暫停機 4）單程停機 5）全程停機 6）緊急停機 技術特點：1）通過方法創(chuàng)新和工程攻關實現(xiàn)鋼殼單體電鍍； 2）運用PLC控制機械臂的橫向與縱向移動夾起電池鋼殼； 3）運用控制鍍液噴速的方法實現(xiàn)電池鋼殼鍍層均勻。 適用范圍：可應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，同時減少對環(huán)境的污染，對鋰離子動力電池行業(yè)乃至電動汽車行業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生極大促進作用。 市場分析及經(jīng)濟效益預測：目前國內(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100億只以上，且產(chǎn)量仍以每年25%速度增長，據(jù)資料顯示，未來10年動力電池市場容量為1500億安時。其中電池鋼殼的成本占動力電池成本的1/4左右，由此預測，此方法的實現(xiàn)將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
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，相關裝置也未見報道。 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)、在滾動狀態(tài)下以間接導電的方式使零件表面沉積上各種金屬或合金鍍層、進行表面防護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)省了勞動力，提高了勞動生產(chǎn)效率，而且鍍件表面質(zhì)量也大大提高。所以，滾鍍的發(fā)明與應用在小零件電鍍領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)不停翻滾中進行，因此鍍件與鍍件之間難免出現(xiàn)摩擦，導致劃痕產(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，同時滾鍍對環(huán)境的污染很大。 2.預鍍：即先將鋼帶進行電鍍鎳，再對鍍層進行熱擴散、冷軋等加工，最后沖壓成電池鋼殼。鋼帶采用特殊熱處理擴散工藝（專有技術）， 通過此特殊工藝使鎳層與基帶之間形成鎳鐵擴散層，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；并且預鍍電池殼的生產(chǎn)符合國家對環(huán)境保護的要求，可消除后鍍生產(chǎn)工藝（后鍍生產(chǎn)工藝是今后國家限制的產(chǎn)業(yè)）帶來的環(huán)境污染問題。因此預鍍也逐漸成為電池領域的主流工藝。 但是預鍍的缺點也是不容忽視的，在沖壓為電池鋼殼的過程中，鍍層和基底的復合體需經(jīng)過12次深沖變形。采用預鍍，后沖壓的電池鋼殼都有明顯的裂紋，嚴重者鍍層甚至會從基底上脫落，致使次品率較高。動力型鋰電池要求其電池鋼殼的安全性和耐腐蝕性能遠遠高于普通電池鋼殼，使得預鍍電池鋼殼已不能滿足鋰離子動力電池的要求。 綜上所述，隨著當今社會對動力型鋰電池研究的逐漸深入，鋰離子動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)不能滿足時代的要求，因而急需提出一種比前兩種方法更為科學合理的電鍍方法。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又能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，填補了國內(nèi)乃至國際空白，屬于原創(chuàng)性設計。
