动(dong)力电池是电动(dong)车(che)的“心(xin)脏(zang)”,其使用寿(shou)命和安全(quan)性被认为是(shi)电(dian)动(dong)车(che)能否大规模普及的(de)关键。其中动(dong)力电(dian)池(chi)中端面盖板的密封性又是(shi)决定动(dong)力电池的安全(quan)性能(neng)的关键,然而目前(qian)国内主要新能(neng)源(yuan)材料研究重点关注的是(shi)锂离子电池的正极、负极、隔膜及电解质(zhi)材料,往(wang)往(wang)对电池两电极极柱的(de)封(feng)接(jie)问题少有涉及。动力电池(chi)的(de)正、负极(ji)柱的(de)密(mi)封不但(dan)与电池(chi)的(de)安全性息息相关,而且对(dui)电池(chi)的(de)能量密(mi)度也(ye)有极(ji)大影(ying)响。
什么是(shi)电池(chi)盖板(ban)和极柱(zhu)?
一般电(dian)动汽车的能(neng)源是由电池(chi)包或(huo)电池(chi)组提供的,包含若干个电池单元通过串并联组合而(er)成(cheng),作(zuo)为电池单元(yuan)的锂离子(zi)电(dian)池,其结构包括电(dian)芯(xin)、容纳电(dian)芯(xin)的(de)电(dian)池壳(qiao)以及电(dian)池壳(qiao)一端(duan)的(de)电(dian)池盖板组件。
成(cheng)品(pin)电(dian)池(左)、电(dian)池结构(gou)示意图(tu)(右)
而盖板上的(de)正负极(ji)柱,就是成品电(dian)池对(dui)外部(bu)导通(tong)电(dian)路的(de)正负极(ji)。一(yi)般电(dian)池盖板组件通(tong)过激光焊连接(jie)到电(dian)池壳体(ti)上,其气密性容易得到保证,但电极极柱与电池盖板上通孔内壁之(zhi)间的电绝缘密封材(cai)料(liao)是(shi)薄弱环节,容易发生泄漏而影响电池寿命并产生安全隐患,最严重的情况是发生燃烧和爆炸。所以电池极柱的密封性、耐老化性、电绝(jue)缘(yuan)性等(deng)具有很(hen)重要的意义。
电池电极极柱的(de)封接技术
1.塑料(liao)封接(jie)
电池电极极柱的塑料密封(feng)技术(shu)是最早被采用的,因为塑料的电绝缘性好同时塑料的易变形性使得它能与接触面形成紧密物理接触,从而起到密封作用。
塑料封接技术已在动(dong)力电池中应用了近十(shi)年的时间,其优点是有良好的(de)电绝缘性、工艺(yi)简单、制造成本相(xiang)对(dui)较低。但(dan)塑料一般(ban)都容易老化(hua),且容易因为(wei)温度变化或震(zhen)动时的交变应力而造(zao)成较大形(xing)变,使密封效果大(da)大(da)降低,从而导致(zhi)电解(jie)液泄(xie)漏或(huo)潮气渗入(ru),引起(qi)安全问(wen)题。而且(qie)一般(ban)塑料密封圈耐温性有(you)限,当电池温度异(yi)常时,可能(neng)会熔化使内部可燃(ran)气体(ti)外溢而产生燃烧。这些问题(ti)使得(de)塑料密(mi)封寿命和安全(quan)性均有一定的不足。
常见的塑料密封结构
2.玻璃封(feng)接
玻璃封接(jie)的核心在(zai)于构建穿贯件(jian)结(jie)构,它包括(kuo)金属芯柱、金属环形密封盖和位于二(er)者(zhe)之间(jian)的封接玻璃,其作用是电绝缘和密封。金属芯柱从密封盖上的孔插入,孔内壁和芯柱之间用封接玻璃进行密封。这样既有利于压缩型封接,也有利于匹配型封接。
常见的玻璃封接结构
玻璃封接技术的最大优点(dian)是玻璃与(yu)金(jin)属表面的(de)氧化(hua)膜(mo)能形成化(hua)学键结合(he),比起塑料(liao)密封(feng)的(de)物理密封(feng)气密性(xing)更(geng)好(hao),此外(wai)玻(bo)(bo)璃(li)或玻(bo)(bo)璃(li)陶瓷密封(feng)材料(liao)也具(ju)有(you)(you)(you)优良的(de)电绝缘性(xing)。但缺点是(shi)玻(bo)(bo)璃(li)的(de)强(qiang)度(du)和韧性(xing)有(you)(you)(you)限,还有(you)(you)(you)玻(bo)(bo)璃(li)预(yu)制(zhi)体制(zhi)作过程中低温条件下排胶不净(jing)的(de)问题(ti)(ti),玻(bo)(bo)璃(li)与封(feng)接夹具(ju)的(de)粘结问题(ti)(ti),以及(ji)密封(feng)盖在焊(han)接时(shi)封(feng)接玻(bo)(bo)璃(li)容易(yi)受(shou)到热冲(chong)击而(er)开(kai)裂的(de)问题(ti)(ti)等(deng),导致玻(bo)(bo)璃(li)密封(feng)的(de)工艺难度(du)较高(gao)。此外(wai),单一的(de)玻(bo)(bo)璃(li)材料(liao)很难承受(shou)住(zhu)电解(jie)液(ye)的(de)腐蚀作用(yong),必须要经过特殊的(de)改性(xing)。
目前,在特(te)种玻璃(li)领域具有一百多年技术沉淀(dian)的德国肖特(te)集(ji)团是动力(li)电池的电极(ji)极(ji)柱玻璃(li)封接的先行(xing)者,针(zhen)对电池密封性(xing)薄(bo)弱(ruo)环节,肖特(te)创新性(xing)的推出了玻璃(li)-铝密封(GTAS)材料替代聚合物作为密封材料,改善动力电池的气密性。但该技术在国内起步不久,还有许多应用问题需要解决。
肖特玻璃不(bu)锈钢(gang)/玻璃铝电极密封
3. 陶(tao)瓷金属化封接
陶瓷具(ju)备优越的电绝缘性和机械(xie)强度,在电子行业用做密(mi)封(feng)件已越来越普遍,近些年已逐渐有龙(long)头电池企业用陶瓷密(mi)封(feng)来代替常(chang)见的塑料(liao)密(mi)封(feng),其代表性企业就是(shi)比亚(ya)迪,拆开比亚迪的“刀片电池”,可以看到电芯就是用的陶瓷密封,使安全性大大提升。
陶(tao)瓷与金属(shu)的(de)连接(jie)技术在锂离子(zi)电池的(de)出(chu)现之(zhi)前就已经是相(xiang)当(dang)成熟了,所以采用陶瓷材料来封接电极的一般方法自然是先做陶瓷金属化,实现陶瓷表面的金属属性,然后进行钎焊(han)焊(han)接。
关于(yu)陶(tao)瓷与金属的封接有多种方法(fa),具体(ti)可详细看下文。
陶瓷用于(yu)功率(lv)器件的关键工艺:金(jin)属与陶瓷封接
电极(ji)极(ji)柱陶瓷密封(feng)
陶(tao)(tao)瓷(ci)密封(feng)(feng)环充分发挥陶(tao)(tao)瓷(ci)材料的(de)(de)高绝(jue)缘、高强度(du)、耐(nai)(nai)高温、耐(nai)(nai)老化(hua)、耐(nai)(nai)腐蚀(shi)等特(te)性(xing),通过金(jin)(jin)属化(hua)焊接后具备良好的(de)(de)气密性(xing),且(qie)极耐(nai)(nai)高温,能承受得住急剧的(de)(de)温度(du)变化(hua),机(ji)械强度(du)高,封(feng)(feng)接处尺寸公差小,使用寿命(ming)和(he)安(an)全性(xing)大大提升(sheng)。但陶(tao)(tao)瓷(ci)金(jin)(jin)属化(hua)封(feng)(feng)接技术(shu)涉及(ji)钎焊料的(de)(de)使用,容易导致陶瓷绝缘体与被封接的金属基体之间存在多层界面,使界面因为热膨胀系数的不匹配而开裂,影响密封性。因此活性钎料开发、钎焊工艺研究和构件结构设计等,是动力电池研发和生产中存在的陶瓷与金属封接关键技术难题。
目前,该领(ling)域由(you)娄底市安地亚斯公(gong)司领(ling)先市场,产品采用(yong)高纯氧化铝陶瓷及(ji)厚膜镀镍(nie)工艺(yi)技(ji)术(shu)生产,适(shi)用(yong)于钎(qian)焊(han)铜和铝等不同材(cai)质。
电池(chi)极柱陶(tao)瓷(ci)密封环(huan)
总结
先(xian)进陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材料(liao)凭借各项(xiang)优越性(xing)能(neng),已(yi)逐渐在(zai)多(duo)种(zhong)新(xin)兴(xing)领域呈现(xian)替(ti)代传(chuan)统材料(liao)的(de)(de)趋势(shi),许多(duo)产品(pin)性(xing)能(neng)提升的(de)(de)契机往往就在(zai)一(yi)些关键处的(de)(de)材料(liao)和工艺(yi)改善。陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)密(mi)(mi)(mi)封(feng)环(huan)的(de)(de)使用有望对长(zhang)久以来的(de)(de)塑料(liao)密(mi)(mi)(mi)封(feng)进行全面替(ti)代,也或许将来会出现(xian)融合(he)了(le)几种(zhong)方(fang)式优点(dian)的(de)(de)组合(he)式封(feng)接技术,这些都(dou)离不(bu)开对工艺(yi)的(de)(de)持续性(xing)研究,以实(shi)现(xian)更佳的(de)(de)密(mi)(mi)(mi)封(feng)解决(jue)方(fang)案,使动力电池(chi)产品(pin)的(de)(de)性(xing)能(neng)得到(dao)进一(yi)步提升。
参(can)考来源:
1. 动力(li)锂离子电池(chi)玻璃封接技术的(de)专利(li)文(wen)献综述,缪锡(xi)根、潘华(hua)路、申亮、缪波、何纪生(中澳(ao)科创(深圳)新材料有限公(gong)司);
2. 动力(li)电池电极连接密封材料的发展。
粉体(ti)圈 小吉
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