使用电磁场的袋形电池壳体成形设备及使用该设备的袋形电池壳体成形方法与流程

1.本技术要求享有于2020年10月21日提交的韩国专利申请第2020-0136880号的优先权权益，通过引用将该韩国专利申请的公开内容整体并入本技术。
2.本发明涉及一种使用电磁场的袋形电池壳体成形设备及使用该设备的袋形电池壳体成形方法。更特定而言，本发明涉及一种包括将用作袋形电池壳体的层压片成形为长方体形状的冲头，且在层压片中产生电磁场以最小化对层压片表面的损坏的使用电磁场的袋形电池壳体成形设备及使用该设备的袋形电池壳体成形方法。


背景技术：

3.对作为移动装置和电动车辆的能量源的二次电池的需求已急剧增加。特别地，对具有高能量密度和放电电压的锂二次电池的需求非常高。
4.基于锂二次电池的形状，锂二次电池可分类为圆柱形电池、棱柱形电池或袋形电池。袋形电池具有以下优点：袋形电池可以以高完整性来堆叠，具有较高的单位重量能量密度，较便宜及易于变形。袋形电池使用层压片作为电池壳体，并且具有电极组件与电解质溶液一起被容纳在形成于层压片中的容纳部分中的结构。
5.在层压片被固定的状态下，使用冲头通过深拉伸来冲压可延展的层压片而形成袋形电池的容纳部分。在使用冲头进行冲压期间，由于在冲头与层压片之间的接触以及层压片的有限的延展性，导致因冲头与层压片之间的摩擦力而在层压片的外表面上形成诸如针孔或裂缝之类的缺陷。随着深拉伸的进行，在冲头的边缘远端处的摩擦力成指数增大，由此经常在接触冲头的边缘远端的层压片中形成缺陷。由此，不可能更多地减小用作电池壳体的层压片的厚度，这成为增大电池的单位体积容量的限制。
6.为了解决上述问题，已经进行了多种尝试，包括在冲压冲头中设置加热器，提供电磁力产生单元、或提供由低摩擦系数材料制成的冲头头部。
7.专利文献1涉及一种用于确保二次电池的袋剩余率的成形方法，其中将成形模具设置在上侧，将冲压冲头设置在下侧，将袋成形金属设置在成形模具与冲压冲头之间，将固持器或辊定位在成形模具和冲压冲头的各者的横向入口处，并且将加热器设置在成形模具、冲压冲头、和固持器或辊中。
8.在专利文献1中，当对袋成形金属进行成形时，袋成形金属的角部部分被加热器加热以增加袋成形金属的剩余率和柔韧性，由此可防止在电极组件容纳部分的下端角部形成裂缝。
9.专利文献2涉及一种具有以下构造的袋成形设备。所述袋成形设备包括：模具，所述模具中形成有从上表面向内凹陷的成形空间，形成成形空间的开口的第一角部被倒角以具有第一曲率半径；设置在模具上方的固持器，当袋膜被设置在模具的上表面时，固持器向下移动，以在袋膜插入在模具与固持器之间的状态下，当固持器接触模具时，固定袋膜；和设置在成形空间上方的电磁力产生单元，所述电磁力产生单元用于产生电磁力并将产生的
电磁力施加至成形空间。
10.在专利文献2中，设置在成形空间的上方的电磁力产生单元产生电磁力并朝向成形空间施加所产生的电磁力。通过电磁力(排斥力；洛伦兹力)使杯部沿着成形空间与袋膜紧密接触，由此袋膜被拉伸。
11.专利文献3涉及一种包括模具、冲头和固持器的电池壳体成形设备。在专利文献3中，提供具有比常规冲头低的0.04至0.2的摩擦系数的冲头头部，以防止因冲头的深拉伸而导致在片式基材中形成裂缝。
12.专利文献1至3公开了用于防止出现裂缝的构造，但没有公开根据本发明的提供电磁场以降低冲头与层压片之间的摩擦力的构造。
13.(现有技术文献)
14.(专利文献1)韩国专利申请公开案第2018-0092174号(2018.08.17)
15.(专利文献2)韩国专利申请公开案第2019-0098581号(2019.08.22)
16.(专利文献3)韩国专利申请公开案第2018-0028194号(2018.03.16)


技术实现要素：

17.技术问题
18.鉴于上述问题而做出本发明，本发明的目的是提供一种使用电磁场的袋形电池壳体成形设备以及使用该设备的袋形电池壳体成形方法，其能够在使袋形电池壳体成形时降低冲头与层压片之间的摩擦，从而防止层压片的损坏。
19.本发明的另一目的是提供一种能够提高层压片的可成形性的袋形电池壳体成形方法。
20.本发明的又一目的是提供一种能够增大能量密度的袋形电池壳体成形方法。
21.技术方案
22.为了实现上述目的，本发明提供一种袋形电池壳体成形设备，包括：冲头，用于冲压层压片以使袋形电池壳体成形；模具，所述模具中形成有凹陷部分，所述凹陷部分的尺寸对应于由所述冲头成形的电极组件容纳部分；和固持器，用于固定所述层压片的外周边，其中所述冲头被添加用于产生电磁场的装置。
23.在根据本发明的袋形电池壳体成形设备中，用于产生电磁场的装置可以是通过缠绕的电线形成的冲头线圈。
24.在根据本发明的袋形电池壳体成形设备中，用于冲压层压片的冲头的表面可从中心沿向外方向延伸及凸出。
25.在根据本发明的袋形电池壳体成形设备中，延伸及凸出的部分的截面形状可形成锐角。
26.在根据本发明的袋形电池壳体成形设备中，锐角的角部部分可为圆形。
27.在根据本发明的袋形电池壳体成形设备中，通过缠绕的电线形成的冲头线圈可被增加为与延伸及凸出的部分相邻。
28.本发明提供一种袋形电池壳体成形方法，包括：s1)将层压片设置在模具上；s2)使用固持器将所述层压片固定至所述模具；和s3)使用冲头冲压所述层压片，所述冲头具有添加至所述冲头的用于产生电磁场的装置。
29.在根据本发明的袋形电池壳体成形方法中，可以在所述冲头冲压所述层压片时，操作用于产生电磁场的所述装置。
30.在根据本发明的袋形电池壳体成形方法中，所述层压片的金属层和/或所述冲头可由于电磁场而振动，所述电磁场通过施加交流电至用于产生电磁场的所述装置而产生。
31.在根据本发明的袋形电池壳体成形方法中，步骤s3)可由以下步骤替换：s3-1)使用所述冲头将所述层压片冲压至所述模具的凹陷部分的一部分深度的初步成形步骤；和s3-2)使用电磁场产生所述层压片的所述金属层的振动的步骤，所述电磁场通过在所述冲头插入至所述凹陷部分中的状态下，施加交流电至所述冲头的用于产生电磁场的所述装置而产生。
32.此外，根据本发明的袋形电池壳体成形方法可进一步包括向用于产生电磁场的所述装置施加单电流和高电流脉冲来产生强电磁冲击。
33.此外，本发明提供一种通过所述袋形电池壳体成形方法制造的袋形电池壳体。
34.此外，本发明提供一种包括所述袋形电池壳体的二次电池。
35.在本发明中，可从上述构造中选择并组合彼此不冲突的一或多个构造。
36.有益效果
37.已鉴于上述问题做出本发明，本发明具有以下效果：当使袋形电池壳体成形时，通过施加至冲头的电磁场而使层压片振动，由此降低冲头与层压片之间的摩擦力，防止层压片的损坏。
38.本发明具有以下效果：在使层压片成形时，在冲头凸出部形成电磁场，所述冲头凸出部形成于袋形电池壳体成形设备的冲头的冲压表面的边缘，由此提高了袋形电池壳体的电极组件容纳部分的角部部分的可成形性。
39.此外，本发明具有以下效果：由于袋形电池壳体的可成形性提高，因此容纳部分的容量增加，同时能量密度增大。
附图说明
40.图1是根据本发明第一实施方式的袋形电池壳体成形设备的截面图。
41.图2至图6是示出根据本发明第一实施方式的制造袋形电池壳体的一系列过程的示意图。
42.图7是示出根据本发明第二实施方式的冲头的一部分的透视图。
具体实施方式
43.现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明的优选实施方式可由本发明所属领域的普通技术人员容易地实施。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的操作原理时，当并入本文的已知功能和构造可能混淆本发明的主题时，将省略对该已知功能和构造的详细描述。
44.此外，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示执行相似功能或操作的部件。在整个说明书中，在一个部件被描述为连接至另一部件的情况中，不仅可以是一个部件直接连接至另一部件，而且可以是一个部件经由另外的部件间接地连接至另一部件。此外，包括某一元件并非意指排除其他元件，而是意指可以另外包括这些元件，除非另有说明。
45.另外，除非有特别的限制，否则通过限定或增加而对代表元件进行的描述可被应用于所有发明，而不限制于特定发明。
46.此外，在本发明的描述和本技术的权利要求书中，单数形式意欲包括复数形式，除非另有说明。
47.此外，在本发明的描述和本技术的权利要求书中，除非另有说明，否则“或”包括“和”。因此，“包括a或b”表示三种情况，即包括a的情况、包括b的情况和包括a和b的情况。
48.此外，所有数值范围包括最低值、最高值和其间的所有中间值，除非上下文有明确的另外说明。
49.以下，将参照附图描述本发明的实施方式。
50.图1是根据本发明第一实施方式的袋形电池壳体成形设备10的截面图。
51.参照图1，根据本发明第一实施方式的成形设备10是用于使层压片100成形以形成用于容纳电极组件的容纳部分的设备，所述设备包括模具组件200和冲头300。
52.模具组件200是用于固定与层压片100的待成形部分101相邻的层压片100的外周部分的构造，模具组件200包括：模具210，所述模具210包括形成为对应于容纳部分的形状的凹陷部分220和当在平面中观看时位于凹陷部分220的相对侧的外周壁230，层压片100被安装于外周壁230的上端；和固持器240，所述固持器240位于对应于外周壁230的上侧的位置，用于向下按压层压片100的外周部分以使层压片100固定就位。
53.冲头300是用于冲压被模具组件200固定就位的层压片100的待成形部分101，通过伸拉伸使层压片100成形以形成容纳部分的构造。尽管有时将冲头头部310称为冲头，但在本发明中，将相应部分称为冲头头部310，且将包括冲头头部310的整体称为冲头300。
54.用于冲压层压片的面向凹陷部分220的部分的冲头头部310的表面具有从中心沿向外方向延伸并凸出的凸出部。所述凸出部被称为冲头凸出部320。
55.由冲头头部310的冲压表面的延伸形成的冲头凸出部320的下表面(未标示附图标记)和与冲头头部310的外周表面邻接同时与下表面形成预定角度的冲头凸出部320的上表面(未标示附图标记)在冲头头部310的下端边缘处彼此耦接，从而形成冲头凸出部320。冲头凸出部320的上表面和下表面可形成锐角。
56.尽管冲头凸出部320的每个角部部分可形成为斜楔形，但冲头凸出部320的角部部分优选形成为圆形。当冲头凸出部320的角部部分为圆形时，可减小拉伸工艺期间冲头凸出部320的角部部分与层压片100之间的相对摩擦力，这有利于防止层压片的损坏。
57.此外，冲头凸出部320和冲头头部310可分开制造，然后可通过焊接彼此耦接，或者可整体地制造。
58.围绕冲头头部310的外周表面缠绕电线以形成冲头线圈400。当将交流电施加至冲头线圈400时，在冲头300的端部形成电磁场。特别地，在冲头凸出部320的角部形成相对较高的电磁场。此外，冲头线圈400中的磁通量变化，在与冲头线圈400相邻设置的层压片100处产生感应功率，由此感应出电磁场。冲头的电磁场和面向冲头的层压片的感应电磁场彼此相互作用，并且通过交流电的频率产生微观振动。特别地，在冲头凸出部320的角部部分形成相对较高的微观振动。可通过振动而减少冲头与层压片之间的摩擦。当将单电流和高电流脉冲施加至冲头线圈400时，可形成较强的电磁场，从而可产生较强的振动。
59.另外，在冲头凸出部320的角部部分形成强电磁场，从而在面向冲头凸出部320的
层压片处产生较强的感应功率，因此快速施加较强的洛伦兹力。因此，可在冲头凸出部320的角部部分执行准确的成形，同时防止层压片的损坏。
60.可围绕冲头头部310的外周表面的整体或一部分设置冲头线圈400，优选地，在冲头头部310的基于冲头凸出部320的上部设置冲头线圈400。在冲头线圈更接近冲头凸出部320定位的情况中，电磁场被更有效地施加至层压片，这有利于防止层压片的损坏及提高可成形性。
61.层压片100位于固定模具210与固持器240之间。更特定而言，层压片100的除待成形部分101以外的外周部分被安装到固定模具210的外周壁230的上端，且固持器240相对应地位于上侧。
62.例如，根据本发明的层压片100可具有热熔性的第一树脂层、具有材料阻挡性质的金属层、和作为外层的第二树脂层堆叠的结构，或具有热熔性的树脂层和具有材料阻挡性质的金属层堆叠的结构。
63.为了抑制电解质溶液的渗透，热熔性的第一树脂层可由具有低吸湿性且不会由于电解质溶液而溶胀或腐蚀的材料制成，所述材料诸如是聚烯烃基树脂。
64.具有材料阻挡性质的金属层可由例如铝、铝合金或不锈钢制成，以除了防止诸如气体或湿气的异物进入或泄露的功能之外，还增加电池壳体的强度。
65.第二树脂层是形成电池壳体的外层的聚合物树脂层，第二树脂层需要具有预定的抗拉强度和耐候性，使得第二树脂层对外界环境有优良的耐受性。因此，第二树脂层可由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或定向尼龙制成。
66.邻接层压片100的冲头头部310的部分可由至少低摩擦系数的材料制成。低摩擦系数的材料可以是选自由以下组成的群组的任何一种：聚醚醚酮(peek)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰胺(pi)、聚苯硫醚(pps)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)和尼龙。
67.图2至图6是示出根据本发明第一实施方式的制造袋形电池壳体的一系列过程的示意图。
68.参照图2，层压片100的下表面固定于模具组件200，用于冲压层压片100的待成形部分101的冲头300位于层压片100上方。
69.参照图1至图3，在层压片100的下表面被安装在固定模具210的外周壁230的上端的状态下，层压片100的上表面被固持器240按压，以将层压片100固定就位。在层压片100由模具组件200固定就位之后，执行用于形成容纳部分的深拉伸工艺。
70.参照图3，示出了在使层压片100成形以形成容纳部分之前，冲头300紧靠层压片100的上表面的状态。冲头300在位于层压片100上方的状态下沿由箭头指示的方向直线移动，从而使冲头的下端表面紧靠待成形部分101的上表面。
71.参照图4，示意地示出了使用冲头冲压层压片100的待成形部分101以使层压片100成形，以在层压片中形成容纳部分的过程。
72.该过程是在冲头300紧靠层压片100的状态下继续执行使冲头沿由箭头指示的方向直线移动以冲压层压片100，从而使面向冲头300的冲压表面的层压片100位于凹陷部分220中的过程。
73.这里，当面向冲头300的冲压表面的层压片100被冲压到凹陷部分220中的预定位置时，向冲头线圈400施加交流电，且冲头300继续冲压层压片100。
74.在冲压的早期阶段，层压片100的拉伸角度较小，因而冲头300与层压片100之间的摩擦力也较小。因此，优选在成形执行到一定程度后向冲头线圈400施加电流。当面向冲头300的冲压表面的层压片100距离外周壁230的上端的深度等于凹陷部分220的整个深度的40％至70％时，向冲头线圈400施加交流电，这也有利于降低功耗。
75.参照图5和图6，示意性地示出了向冲头线圈400施加单电流和高电流脉冲，以高速度使形成在凹陷部分220中的层压片100的电极组件容纳部分的角部部分成形的过程。
76.当冲头300的冲压表面和面向冲压表面的层压片100与凹陷部分220的底部的内表面紧密接触时，施加单电流和高电流脉冲以形成强电磁场，由此使容纳部分成形，同时容纳部分的面向冲头凸出部330的角部部分的曲率半径减小。
77.可使用将用于成形的膜构件贴附到层压片的上表面、使电池壳体成形、及分离用于成形的膜构件的方法来执行成形处理。
78.用于成形的膜构件可包括衬底膜和形成在衬底膜的一个表面上的粘附层，以便单独贴附到层压片。衬底膜可以是聚合物树脂膜、金属膜或它们的复合膜。用于成形的膜构件可具有包括衬底膜和粘附层的单层结构，或其中两个或更多个衬底膜以及两个或更多个粘附层交替堆叠的多层结构。聚合物树脂膜可包括选自由以下组成的群组的至少一种：聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰胺(pi)、聚苯硫醚(pps)、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)和尼龙。当在平面中观看时，用于成形的膜构件可具有四边形形状，其大小能够覆盖通过深拉伸而待成形的部分。
79.图7是示出根据本发明第二实施方式的冲头的一部分的透视图。
80.本发明的第二实施方式除了冲头凸出部320的角部是成角度的，而非圆形之外，与参照图1至图6描述的第一实施方式相同，。
81.以上描述的根据本发明的袋形电池壳体可用于二次电池。
82.本发明所属领域的技术人员将理解，基于以上描述，可在本发明的类别内具有各种应用和修改。
83.[附图标记说明]
[0084]
10：根据本发明第一实施方式的袋形电池壳体成形设备
[0085]
100：层压片
[0086]
101：待成形部分
[0087]
200：模具组件
[0088]
210：模具
[0089]
220：凹陷部分
[0090]
230：外周壁
[0091]
240：固持器
[0092]
300：冲头
[0093]
310：冲头头部
[0094]
320：冲头凸出部
[0095]
400：冲头线圈
[0096]
工业实用性
[0097]
本发明涉及一种袋形电池壳体成形设备及使用该设备的袋形电池壳体成形方法，
所述袋形电池壳体成形设备包括：冲头，用于冲压层压片以使袋形电池壳体成形；模具，所述模具中形成有凹陷部分，所述凹陷部分的尺寸对应于由冲头成形的电极组件容纳部分；和固持器，用于固定层压片的外周边，其中冲头被添加用于产生电磁场的装置。因而，本发明具有工业实用性。