碱性电池封口机结构和性能探讨

碱性电池是最成功的高容量干电池,也是目前性能价格比最具优势的电池之一。进入20世纪90年代以后,碱性锌锰电池因其较高的性价比优势而在全球原电池产业中呈现强劲的增长走势。防漏性是碱性电池最主要的质量指标之一,因为电池漏液不仅会降低电池使用寿命,而且漏液会腐蚀电器,给消费者带来极大的损失。由于电池的使用环境变化较大,特别是出口电池,其运输、储存要经受高低温和潮湿环境的检验,所以,密封性能要求很高,电池的密封成为碱性电池生产和研究行业的主要课题。

至今还未见国内有很好解决漏液问题的公开报道,很多生产碱锰电池的工厂都在积极想法解决漏液问题,但是,仍然没有得到实际解决。

1 碱锰电池漏液的原因

1.1 碱性电池的结构

负极物料为膏状Zn或Zn O,正极物料为Mn O2,钢壳作为正极,铜针和负极盖作为负极。隔膜纸的作用是将正负极物料隔开,添加电解液的目的是增强导电性能。其结构如图1所示。其特征在于负极端子由下负极盖、防爆球、上负极盖、密封圈和铜钉等组成,其中下负极盖与铜钉焊接,下负极盖与上负极盖连接,中间放置防爆球,铜钉插入密封圈中孔,下负极盖同时随带固定于密封圈上部,铜钉插入电池负极锌膏中,与此同时密封圈与钢筒口部紧密配合,通过在钢筒上部的滚槽和卷边使密封圈径、轴向受到压缩,而使电池密封。

1.2 碱性电池的生产工艺

碱性电池工艺流程根据不同的封口结构有多种,但是基本工序有:钢壳处理、压制锰环、插入锰环、压固锰环、压线涂胶、隔膜管制作、隔膜管封口、隔膜管插入、加注电解液、延时静置、注入锌膏、插入负极端子、封口、整形等。各种生产线的不同之处主要在压线涂胶和封口、拔直的工艺。另外,钢壳处理、负极端子组合、测试包装都由单独的生产线完成。

1.3 出现漏液的原因

碱性电池漏液的原因有多种,最为难以解决的主要原因有以下两种。

电毛细现象:KOH作为电解液导电性好,不生成易沉淀的反应产物,对电池性能有重要改善作用。但它表面张力大,与固体亲和力强,毛细现象非常明显。碱锰电池与中性锌锰电池正负极位置刚好相反,即称为反极式结构。钢壳与正极物料直接接触。钢壳内表面带正电,对OH负离子吸引,加剧毛细管现象,即称为电毛细现象。毛细现象加剧“爬碱”,使电池漏液。

负极活性物质为锌粉,增加了负极真实表面积,增加了电池容量。但也更易腐蚀。电池内部产生气体较多,逐渐积累,增大了电池内部压力,会使电池部件变形、涨裂,防爆球就是为预防电池爆裂而设计的。当内部压力过大时,强大的压力可使封口处部件变形,使电池更易漏液。

2 碱性电池防止漏液的主要措施

2.1 涂封口胶

由于各密封件接触面均不会是真正的平面,有很多毛细管通道,所以必须在基础面间涂封口胶,以堵塞毛细管通道。密封胶主要涂在两个地方:(1)钢筒和密封圈之间。(2)密封圈中心孔。

2.2 改善封口结构和封口工艺

国内生产的绝大部分钢筒如图1所示。密封圈上部外径与钢筒扩口处内径为紧配合,密封圈下部外径与钢筒内径为松配合。只有对密封圈上部进行轴、径向压缩,才能达到密封的目的。钢壳滚线是对密封圈起定位作用,使密封圈在受到压缩力时上下左右位置不能移动。

2.3 改善密封圈

密封圈的材料和结构也是改善密封效果的主要措施,其材料一般用尼龙66,其结构及尺寸与封口工艺有密切关系,既要保证方便插入钢壳,又要达到一定的弹性变形量,实现密封。

3 碱性电池的封口方式

碱性电池封口的要求不外乎密封可靠、保证外形尺寸、不污染电池、生产效率要高这几点。常用的几种封口方式各有优劣。

3.1 刻线-插负极-卷边封口一体化封口

如图2、图3所示,采用双滚轮压槽封口方式。碱锰电池钢筒滚线与碳锌电池中P型电池滚线作用不同,要使密封圈相对于钢壳的位置固定不变,则钢壳滚线的位置要固定不变。生产过程中要批量实现这一点就需从设备的稳定性和零部件的公差来考虑能否达到要求。

采用该种机构可以将刻线、插负极、滚压封口集中进行,采用凸轮机构实现封口压紧,封口力均匀,封口可靠,用多头作业可实现高速高效,八个工作头一般可达到1 2 0~2 0 0粒/分钟。先滚线再放负极集流体,在放负极集流体时保证密封圈与钢筒口的位置,可保证密封圈与钢筒的相对位置。刻线时以钢筒口为基准点,钢筒本身的公差就不会出现在放密封圈的位置上。采用这种机构,刻线轮、卷边轮都可以做成镶体结构,降低模具成本,提高模具耐用度和尺寸稳定性。

采用这种封口机构,其不足之处是:(1)因为需要多头作业才能实现高速度高效率,其结构复杂,设备成本高,调整难度大,每个工作头要单独调整。(2)如果一个工作头尺寸不稳定,需要整台机器停机。(3)对钢壳的要求较高。(4)对机械精度要求比较高,定位要求精准,间隙过大,会造成振动,使锌膏或电解液溅出,污染电池,降低放电性能;间隙过小,上下模不易对准,造成负极端子插不到位,废品率高。

3.2 封口模两次加压封口

该机结构简单,封口时采用钢壳外圆定位,加紧方便。一般采用两次封口可以达到密封目的。第一次缩口,第二次整形。下端由钢壳正极头肩部支撑。模具可做成镶体式,降低成本,方便制作和更换。压紧动力可以是简单的机械机构,也可以采用气动或液压机构实现。

其不足之处是:(1)两次封口采用两个工位,整形时封口形状不确定,密封效果欠佳。(2)采用下压式密封,轴向力远大于径向力,在整形时钢壳口部有扩张的趋势,造成密封圈和钢壳内壁脱离,降低密封效果。(3)采用气动或液压装置,工作效率低,一般60粒/分钟。

3.3 插负极-刻线-卷边封口机

该机构将刻线置于插负极之后,先插入负极端子,再对钢壳滚线。机械动作的基准点是负极盖,控制滚线轮与负极盖的距离来确定刻线位置。此种滚线位置取决于:负极盖高度,负极盖与密封圈的装配位置,负极集流体与钢筒的相对位置;钢筒的公差;机器的平稳性。

该种工艺要求负极端子的装配精度很高,其优点是刻线可以比较深,为卷边整形时钢壳的变形打下基础,在封口整形时可以使密封圈保证足够的弹性变形。其缺点是负极端子的误差直接导致刻线位置的变动,刻线位置如果过大,将不可能保证对密封圈进行轴、径向压缩,达不到密封的效果。

4 讨论

通过对电池结构和密封原理的分析比较了几种常见的密封工艺和封口机原理后,我们认为,封口工艺的关键是钢壳的变形和密封圈的弹性压缩量,要达到纵向和横向均实现压缩的效果,就能达到密封的目的。纵向压缩的关键在于刻线位置和深度,横向压缩的关键在于整形和卷边。从韩国生产线、波兰生产线和国产生产线的实际生产效果比较,采用插负极-刻线-卷边整形一体机封口效率高,相对而言封口质量较好。

摘要：碱性锌锰电池因其较高的性价比优势而在全球原电池产业中呈现强劲的增长走势,防漏性能是其最主要的质量指标之一。碱性电池的密封质量和许多因素有关,除了密封件的材料、表面处理和胶粘剂外,主要与封口方式有关。目前封口工艺和封口方式根据生产线的设备和产量不同有多种形式,其密封效果各异。本文对常用几种形式的封口结构和封口方式做了比较,提出了碱性电池封口机的发展方向。

关键词：碱性电池,漏液,电池封口机