热电池异形单元电池螺旋刮平压制成形方法

闫 雷，许 彬，尚筱萌，王胜华，李 阳

(1.西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065；2.陆军装备部驻西安地区第四军代室，陕西 西安 710032)

0 引言

随着武器装备发展需求的牵引和技术进步的推动，智能引信、灵巧弹药等成为各国发展的重点[1-4]。因为引信外形不能有大的变化，但新增功能需要装入更多的零部件，且功耗更大，因此往往给热电池[5]分配的预安装区域为异形空间，且要求电池体积比能量高。现有的单元电池成形方法只能压制圆片形单元电池，再组装成圆柱形热电池。对于异形空间采用圆柱形热电池并联电池组装入，但因无法完全与异形空间配合而造成空间浪费，导致电池体积比能量低，无法满足要求。文献[6]进行了热电池薄膜化研究，将几种电极粉料利用粘合剂涂覆在基底上，再冲制成所需要的异形形状，组装成异形热电池，但还不成熟。文献[7]进行了热电池粉末压制成形的有限元模拟和研究，利用有限元软件模拟了粉末压片过程，做出了理论分析，但没有指出具体的异形单元电池的压制方法。针对现有圆柱形热电池并联电池组无法充分利用异形空间，导致体积比能量低，无法满足使用要求的问题，本文提出热电池异形单元电池螺旋刮平压制成形方法。

1 现有圆片形单元电池成形方法

现在国内外热电池的主导产品为锂硅合金/二硫化铁体系热电池。在结构设计上为圆柱形，内部装有若干组单元电池，单元电池为圆片状[8]。其制造工艺是将负极粉倒入由底座和压套组成的圆形空腔内，再装入压头并旋转若干圈，使粉料均匀铺平，然后送至压力机下加压成形为薄片。用同样的方法继续压制电解质粉、正极粉，最终形成三合一的圆片状单元电池[9]， 其成形示意图见图1。

图1 圆形单元电池成形过程示意图Fig.1 Schematic diagram of forming process of round cell battery

此方法无法完成异形单元电池中负极、电解质、正极粉末的均匀铺平、分层压制的问题。若各层不均匀平整则会造成互相渗漏混合，导致内短路出现，从而导致电池失效。

2 热电池异形单元电池螺旋刮平压制成形方法

热电池异形单元电池螺旋刮平压制成形方法，是利用模具上的螺旋曲面将转动转化为上下位移，从而调节孔深，将物料刮平后再压制成形的方法。包含一套螺旋刮平式异形单元电池压制模具及与之配套的成形工艺，其结构示意图见图2。底座圆孔向上放置，下旋环螺旋曲面向上装入底座内，上旋环螺旋曲面向下装在下旋环上，并使二者曲面配合。压柱下端为圆柱形装入上旋环内，上端为异形柱，装入压套的异形孔内。压套圆环面向下，放在上旋环的上圆环面上。

图2 异形单元电池成形工艺结构示意图Fig.2 Schematic diagram of special-shaped cell battery forming process

工艺过程为：转动把手带动下旋环、上旋环沿着螺旋曲面相向转动，上旋环沿着螺旋曲面向上运动，从而推高压套，使其上表面高于压柱上表面，形成异形孔；在此孔内倒入负极，用刮板刮平粉料；反复转动下旋环、上旋环调整异形孔深度，并刮平负极粉，直至负极粉完全铺满异形孔并与压套上表面平齐，负极粉完全装平。同理，装入并刮平电解质和正极粉料，转动把手推高压套，装入压盖；放在液压机下压制成形；取下压盖，放上退模环，在液压机下退模，就可制成片状异形单元电池。此异形单元电池的面积大于并联电池组一层单元电池的面积总和。

将用热电池异形单元电池螺旋刮平压制成形方法制备的异形单元电池叠层堆放就可组装出与异形空间完全匹配的异形热电池。根据需求设计不同形状的压柱上端的异形柱和压套的异形孔，则可拓展应用于不同的异形空间。

3 仿真和试验验证

3.1 异形单元电池强度仿真

设电池后坐过载为10 000g。在实际装配异形电池堆为预压后，压紧装配，且侧面与侧保温层为紧配合，因此可以认为周边和底面固定。加载垂直于底面的作用力，则加速度为a=1×105m/s2。

单元电池各组分的力学参数见表1。通过表1可看出各材料间的参数变化不大，且分层刮平，一次压制，在各层中间有两种物质互相嵌入的过渡层，能有效解决单元电池的分层失效问题。因此，可做平均后，按单一层，做简化模型处理。通过计算可以得到平均参数为：杨氏模量E=18 000 MPa，泊松比0.3，密度ρ=2.93 g/cm3。用ANSYS软件对单元电池进行静态结构分析，可得以下分析结果见图3—图5。

表1 单元电池各组分材料力学参数表Tab.1 Table of mechanical parameters of each component of special-shaped cell battery

图3 异形单元电池应变图Fig.3 The strain diagram of special-shaped cell battery

图4 异形单元电池应力分析图Fig.4 The stress analysis chart of special-shaped cell battery

图5 异形单元电池整体变形情况Fig.5 Overall deformation of special-shaped cell battery

从结果图可以看出，单元电池各处的应变范围为：4.98×10-7～7.36×10-5，应变量很小。单元电池各处的应力范围为：0.009～1.33 MPa, 应力量很小。单元电池的边缘部分为石棉纸阻流环，为半塑性材料，不考虑其变形情况，因此不做仿真分析，其变形量最小，整体变形范围为：0～3.85×10-5mm,变形量极小。因此，异形单元电池可以经受住10 000g的直线过载。

3.2 试验验证

试验采用两种电池各4发，共8发。A组：采用原有方法制备圆片形单元电池，分别装配三颗独立的圆柱型分电池，封装于异形空间内，通过接电螺母和焊盘并联为电池组。B组：采用热电池异形单元电池螺旋刮平压制成形方法制备异形单元电池，并装配为异形热电池。试验电池均为锂硅合金/二硫化铁体系，采用铁加热剂，16单元叠层装配。

3.2.1强度试验

将热电池装入装用夹具中后，安装在马歇特锤击机上，进行23齿带5 mm橡皮锤击(已事先用传感器标定，过载约10 000g)，锤击过后检测绝缘电阻、激活回路电阻、外观，试验结果见表2。

表2 强度试验结果Tab.2 The result of strength test

从表2 可以看出，经过1.5 m跌落、运输振动等环境试验，A方案与B方案的绝缘电阻、激活回路电阻均无异常出现，说明两种方案都可以经受住恶劣环境及勤务运输。但A2电池出现运输振动后接电螺母松动与焊盘分离的情况，这会造成线路连接不牢固导致的不激活或电压无输出的故障。而B方案因无需并联，采用带孔接线柱穿线焊接的方式，则不存在上述问题，即在环境适应性上要优于A方案。

3.2.2高、低温放电试验

将两组电池放入高、低温试验箱中保温4 h，激活热电池，进行高低温放电试验，用HIKO8855数据采集仪记录放电曲线并读数，试验结果见表3。

表3 高、低温放电试验结果Tab.3 The result of discharge test at high temperature and low temperature

从表3可以看出B方案热电池比A方案热电池在电性能方面都有很大提高。两者比较，最高电压平均值分别为30.55 V、31.1 V,提高了1.8%；工作时间平均值分别为115.28 s、192.85 s，增加了67%。在相同负载的情况下，电池体积比能量提升了约67%。因此B方案热电池对比A方案具有明显优势，而且数据相对标准差较小，一致性高。

4 结论

本文提出了热电池异形单元电池螺旋刮平压制成形方法。该方法利用模具上的螺旋曲面将转动转化为上下位移，从而调节孔深，将物料刮平后再压制成形的方法，以充分利用异形空间，提高体积比能量。仿真及试验表明：此方法成形的异形单元电池可经受10 000g的过载；基于此方法制备的异形热电池对比原有的圆柱形并联电池组，最高电压平均值分别为31.1 V、30.55 V,提高了1.8%；工作时间平均值分别为192.85 s、115.28 s，增加了67%。解决了现有圆柱形热电池并联电池组无法充分利用异形空间，导致体积比能量低而无法满足使用要求的问题。