熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法

閆 雷，許 彬，尚筱萌，王勝華，李 陽

(1.西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部駐西安地區第四軍代室，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著武器裝備發展需求的牽引和技術進步的推動，智能引信、靈巧彈藥等成為各國發展的重點[1-4]。因為引信外形不能有大的變化，但新增功能需要裝入更多的零部件，且功耗更大，因此往往給熱電池[5]分配的預安裝區域為異形空間，且要求電池體積比能量高?，F有的單元電池成形方法只能壓制圓片形單元電池，再組裝成圓柱形熱電池。對于異形空間采用圓柱形熱電池并聯電池組裝入，但因無法完全與異形空間配合而造成空間浪費，導致電池體積比能量低，無法滿足要求。文獻[6]進行了熱電池薄膜化研究，將幾種電極粉料利用粘合劑涂覆在基底上，再沖制成所需要的異形形狀，組裝成異形熱電池，但還不成熟。文獻[7]進行了熱電池粉末壓制成形的有限元模擬和研究，利用有限元軟件模擬了粉末壓片過程，做出了理論分析，但沒有指出具體的異形單元電池的壓制方法。針對現有圓柱形熱電池并聯電池組無法充分利用異形空間，導致體積比能量低，無法滿足使用要求的問題，本文提出熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法。

1 現有圓片形單元電池成形方法

現在國內外熱電池的主導產品為鋰硅合金/二硫化鐵體系熱電池。在結構設計上為圓柱形，內部裝有若干組單元電池，單元電池為圓片狀[8]。其制造工藝是將負極粉倒入由底座和壓套組成的圓形空腔內，再裝入壓頭并旋轉若干圈，使粉料均勻鋪平，然后送至壓力機下加壓成形為薄片。用同樣的方法繼續壓制電解質粉、正極粉，最終形成三合一的圓片狀單元電池[9]， 其成形示意圖見圖1。

圖1 圓形單元電池成形過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of forming process of round cell battery

此方法無法完成異形單元電池中負極、電解質、正極粉末的均勻鋪平、分層壓制的問題。若各層不均勻平整則會造成互相滲漏混合，導致內短路出現，從而導致電池失效。

2 熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法

熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法，是利用模具上的螺旋曲面將轉動轉化為上下位移，從而調節孔深，將物料刮平后再壓制成形的方法。包含一套螺旋刮平式異形單元電池壓制模具及與之配套的成形工藝，其結構示意圖見圖2。底座圓孔向上放置，下旋環螺旋曲面向上裝入底座內，上旋環螺旋曲面向下裝在下旋環上，并使二者曲面配合。壓柱下端為圓柱形裝入上旋環內，上端為異形柱，裝入壓套的異形孔內。壓套圓環面向下，放在上旋環的上圓環面上。

圖2 異形單元電池成形工藝結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of special-shaped cell battery forming process

工藝過程為：轉動把手帶動下旋環、上旋環沿著螺旋曲面相向轉動，上旋環沿著螺旋曲面向上運動，從而推高壓套，使其上表面高于壓柱上表面，形成異形孔；在此孔內倒入負極，用刮板刮平粉料；反復轉動下旋環、上旋環調整異形孔深度，并刮平負極粉，直至負極粉完全鋪滿異形孔并與壓套上表面平齊，負極粉完全裝平。同理，裝入并刮平電解質和正極粉料，轉動把手推高壓套，裝入壓蓋；放在液壓機下壓制成形；取下壓蓋，放上退模環，在液壓機下退模，就可制成片狀異形單元電池。此異形單元電池的面積大于并聯電池組一層單元電池的面積總和。

將用熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法制備的異形單元電池疊層堆放就可組裝出與異形空間完全匹配的異形熱電池。根據需求設計不同形狀的壓柱上端的異形柱和壓套的異形孔，則可拓展應用于不同的異形空間。

3 仿真和試驗驗證

3.1 異形單元電池強度仿真

設電池后坐過載為10 000g。在實際裝配異形電池堆為預壓后，壓緊裝配，且側面與側保溫層為緊配合，因此可以認為周邊和底面固定。加載垂直于底面的作用力，則加速度為a=1×105m/s2。

單元電池各組分的力學參數見表1。通過表1可看出各材料間的參數變化不大，且分層刮平，一次壓制，在各層中間有兩種物質互相嵌入的過渡層，能有效解決單元電池的分層失效問題。因此，可做平均后，按單一層，做簡化模型處理。通過計算可以得到平均參數為：楊氏模量E=18 000 MPa，泊松比0.3，密度ρ=2.93 g/cm3。用ANSYS軟件對單元電池進行靜態結構分析，可得以下分析結果見圖3—圖5。

表1 單元電池各組分材料力學參數表Tab.1 Table of mechanical parameters of each component of special-shaped cell battery

圖3 異形單元電池應變圖Fig.3 The strain diagram of special-shaped cell battery

圖4 異形單元電池應力分析圖Fig.4 The stress analysis chart of special-shaped cell battery

圖5 異形單元電池整體變形情況Fig.5 Overall deformation of special-shaped cell battery

從結果圖可以看出，單元電池各處的應變范圍為：4.98×10-7～7.36×10-5，應變量很小。單元電池各處的應力范圍為：0.009～1.33 MPa, 應力量很小。單元電池的邊緣部分為石棉紙阻流環，為半塑性材料，不考慮其變形情況，因此不做仿真分析，其變形量最小，整體變形范圍為：0～3.85×10-5mm,變形量極小。因此，異形單元電池可以經受住10 000g的直線過載。

3.2 試驗驗證

試驗采用兩種電池各4發，共8發。A組：采用原有方法制備圓片形單元電池，分別裝配三顆獨立的圓柱型分電池，封裝于異形空間內，通過接電螺母和焊盤并聯為電池組。B組：采用熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法制備異形單元電池，并裝配為異形熱電池。試驗電池均為鋰硅合金/二硫化鐵體系，采用鐵加熱劑，16單元疊層裝配。

3.2.1強度試驗

將熱電池裝入裝用夾具中后，安裝在馬歇特錘擊機上，進行23齒帶5 mm橡皮錘擊(已事先用傳感器標定，過載約10 000g)，錘擊過后檢測絕緣電阻、激活回路電阻、外觀，試驗結果見表2。

表2 強度試驗結果Tab.2 The result of strength test

從表2 可以看出，經過1.5 m跌落、運輸振動等環境試驗，A方案與B方案的絕緣電阻、激活回路電阻均無異常出現，說明兩種方案都可以經受住惡劣環境及勤務運輸。但A2電池出現運輸振動后接電螺母松動與焊盤分離的情況，這會造成線路連接不牢固導致的不激活或電壓無輸出的故障。而B方案因無需并聯，采用帶孔接線柱穿線焊接的方式，則不存在上述問題，即在環境適應性上要優于A方案。

3.2.2高、低溫放電試驗

將兩組電池放入高、低溫試驗箱中保溫4 h，激活熱電池，進行高低溫放電試驗，用HIKO8855數據采集儀記錄放電曲線并讀數，試驗結果見表3。

表3 高、低溫放電試驗結果Tab.3 The result of discharge test at high temperature and low temperature

從表3可以看出B方案熱電池比A方案熱電池在電性能方面都有很大提高。兩者比較，最高電壓平均值分別為30.55 V、31.1 V,提高了1.8%；工作時間平均值分別為115.28 s、192.85 s，增加了67%。在相同負載的情況下，電池體積比能量提升了約67%。因此B方案熱電池對比A方案具有明顯優勢，而且數據相對標準差較小，一致性高。

4 結論

本文提出了熱電池異形單元電池螺旋刮平壓制成形方法。該方法利用模具上的螺旋曲面將轉動轉化為上下位移，從而調節孔深，將物料刮平后再壓制成形的方法，以充分利用異形空間，提高體積比能量。仿真及試驗表明：此方法成形的異形單元電池可經受10 000g的過載；基于此方法制備的異形熱電池對比原有的圓柱形并聯電池組，最高電壓平均值分別為31.1 V、30.55 V,提高了1.8%；工作時間平均值分別為192.85 s、115.28 s，增加了67%。解決了現有圓柱形熱電池并聯電池組無法充分利用異形空間，導致體積比能量低而無法滿足使用要求的問題。