包括挥发性润滑剂供应单元的袋形电池壳体成形设备及使用该设备的袋形电池壳体制造方法与流程

1.本技术要求于2020年9月25日提交的韩国专利申请第2020-0124896号的优先权的权益，通过引用将上述专利申请的整个公开内容结合在此。
2.本发明涉及一种包括挥发性润滑剂供应单元的袋形电池壳体成形设备及使用该设备的袋形电池壳体制造方法。更具体地，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制造方法，该袋形电池壳体成形设备包括配置为将用作袋形电池壳体的层压片成形为长方体的冲头，其中袋形电池壳体成形设备进一步包括挥发性润滑剂供应单元，挥发性润滑剂供应单元配置为在层压片与冲头之间供应用于使层压片的表面损坏最小化的挥发性润滑剂。


背景技术：

3.对作为移动装置和电动车辆的能源的二次电池的需求快速增加。特别是，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.锂二次电池基于形状可分为圆柱形电池、棱柱形电池或袋形电池。袋形电池的优点在于，袋形电池能够以高集成度堆叠、具有较高的每单位重量的能量密度、廉价并且容易变形。袋形电池使用层压片作为电池壳体，并且袋形电池配置为具有电极组件与电解液一起容纳在形成于层压片中的容纳部中的结构。
5.在软性层压片被固定的状态下通过经由使用冲头的深度拉深(deep-drawing)来按压软性层压片以形成袋形电池的容纳部。在深度拉深过程中，由于层压片柔软性的限制以及在使用冲头按压时施加的摩擦力，在层压片的外表面上形成诸如针孔(pin-hole)或裂纹(crack)之类的外部缺陷。
6.即使接触层压片的冲头的表面粗糙度被极度减小，由于连续加工也会产生摩擦力，从而产生外部缺陷。特别是，在层压片配置为具有较小厚度的情况下，层压片的成形性降低，从而经常产生外部缺陷。由于该原因，通过减小电池壳体的厚度以增加电极组件的厚度来制造大容量二次电池存在限制。
7.为了解决该问题，进行了各种尝试。例如，对层压片添加单独的膜，或者将层压片冲压两次或更多次。
8.专利文献1涉及一种不锈钢箔的温加工方法和用于温加工的模具，其中将具有300μm或更小厚度的奥氏体基不锈钢箔面向冲头设置，并且在与冲头的肩部接触的不锈钢箔的环形区域保持在30℃或更低的温度且环形区域外部的不锈钢箔的区域保持在40℃至100℃的温度的状态下拉深不锈钢箔。
9.专利文献1使用加热方法进行拉深，但是并未公开是否有润滑剂以及去除润滑剂的方法。对于袋形电池，电解液直接接触层压片。因此，在润滑剂残留在层压片的表面上的情况下，二次电池的性能会受到不利影响。
10.此外，在专利文献1中是加工不锈钢。为了提高金属的柔软性，会升高温度。然而，
19.韩国专利申请公开第2016-0032280号(2016.03.23)“专利文献3”20.韩国专利申请公开第2018-0028194号(2018.03.16)“专利文献4”

技术实现要素：

21.技术问题
22.鉴于上述问题而做出了本发明，本发明的目的是提供一种高效的袋形电池壳体成形设备及使用该设备的袋形电池壳体制造方法，该袋形电池壳体成形设备在将袋形电池壳体成形时能够：
23.1)将层压片的外表面可能发生的表面损坏最小化；
24.2)防止在将薄层压片成形时形成针孔(pin-hole)或裂纹(crack)；
25.3)不显著改变常规的成形设备及使用其的方法；
26.4)不变地使用常规的层压片；
27.5)防止在成形后存在残留物。
28.技术方案
29.为了实现上述目的，本发明提供了一种袋形电池壳体成形设备，包括：
30.模具，所述模具具有与电极组件容纳部对应的尺寸的下凹型或穿透型的开放凹部，片材设置在所述模具的上表面；具有与所述开放凹部对应的形状的冲头，所述冲头位于所述开放凹部上方，以针对所述片材执行深度拉深(deep drawing)，所述冲头包括配置为向下移动时进入所述开放凹部中的冲头头具(punch head)；保持件(holder)，所述保持件配置为按压所述片材的相对端，从而将所述片材固定至所述模具以进行深度拉深；和润滑剂供应单元，所述润滑剂供应单元配置为向所述片材的与所述冲头头具对接的上表面供应润滑剂。
31.所述袋形电池壳体成形设备可未设置有配置为收集被供应至所述片材的所述上表面的润滑剂的单独的润滑剂收集单元，所述润滑剂供应单元可仅向所述片材的被拉深的部分供应润滑剂。
32.根据本发明的润滑剂可以是免清洗润滑剂或挥发性润滑剂，例如，利用由于成形而产生的热量挥发或在加工之后保存时的常温下挥发的润滑剂。根据本发明的挥发性润滑剂不需要单独的脱脂工序。为了提高挥发性，可混合非常少量的油性剂。可通过吹气或使用热空气更快速地干燥根据本发明的挥发性润滑剂。
33.在常规的金属加工中使用润滑剂。根据本发明的层压片的外层是树脂层。在常规的金属加工中使用润滑剂，特别是挥发性润滑剂的情况下，会出现问题。挥发性润滑剂由于其高挥发性而可表现出类似于清洁剂的特性，并且可容易渗入树脂层，从而会使层压片的表面产生污点。有污点的产品作为缺陷产品被丢弃。
34.因而，必须使用不渗入树脂层的润滑剂。然而，在这种情况下，润滑剂的挥发性较低，因此在加工之后需要单独的清洗工序。
35.鉴于使用这种挥发性润滑剂执行成形时的问题而做出了本发明，提供了一种袋形电池壳体成形设备，其配置为使得注射喷嘴和冲头设置为彼此非常靠近，在紧接成形之前供应挥发性润滑剂，并且在成形之后通过吹气或使用热空气去除润滑剂。
36.结果，可解决产生诸如污点之类的缺陷并且防止在成形时可能产生的诸如针孔或
裂纹之类的损坏。
37.在本发明中，所述片材可包括层压片。可使用所有的层压片，只要层压片能够用于袋形电池即可。
38.例如，根据本发明的层压片可配置为具有其中具有热熔合性的第一树脂层、具有材料阻挡特性的金属层以及作为外层的第二树脂层进行堆叠的结构，或者其中具有热熔合性的树脂层和具有材料阻挡特性的金属层进行堆叠的结构。
39.具有热熔合性的第一树脂层可由具有低吸湿性并且既不膨胀也不被电解液腐蚀的材料，诸如聚烯烃(polyolefin)类树脂制成。
40.具有材料阻挡特性的金属层例如可由铝或铝合金制成，以便除了防止诸如气体或水分之类的异物的进入或泄露的功能之外，还增加电池壳体的强度。
41.第二树脂层是形成电池壳体的外层的聚合物树脂层，第二树脂层需要预定的抗拉强度和耐候性，使得第二树脂层具有优异的耐外部环境特性。第二树脂层例如可由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或定向尼龙制成。
42.所述冲头头具的与所述片材对接的部分可至少由低摩擦系数(frictional coefficient)材料制成。低摩擦系数材料可以是选自由聚醚醚酮(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)和尼龙构成的组中的至少一种。
43.所述冲头头具的与所述片材对接的部分可至少包括配置为升高或降低温度的温度调节单元。在升高温度的情况下，可提高片材的柔软性，并且在深度拉深之后残留的润滑剂可快速升华或蒸发。
44.所述润滑剂供应单元可包括配置为喷射气溶胶(aerosol)状态的润滑剂的注射喷嘴，并且所述注射喷嘴可固定至所述保持件。
45.此外，本发明提供了一种使用所述袋形电池壳体成形设备的袋形电池壳体制造方法，所述袋形电池壳体制造方法包括以下步骤：(s1)将所述片材设置在所述模具与所述冲头之间；(s2)向所述片材的与所述冲头头具对接的部分施加润滑剂；和(s3)使用所述冲头将所述片材成形为电池壳体。
46.可同时对所述冲头头具的表面和所述片材的表面施加润滑剂，并且可使用喷射气溶胶(aerosol)状态的润滑剂的方法执行步骤(s2)。固定至所述保持件的所述注射喷嘴可喷射气溶胶(aerosol)状态的润滑剂。
47.本发明可提供一种将用于成形的膜构件附接至层压片的上表面、成形电池壳体并且分离用于成形的膜构件的方法。
48.用于成形的膜构件可包括基膜和形成在基膜的一个表面上的粘合剂层，从而可分离地附接至层压片。基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基膜和粘合剂层的单层结构、或者其中两个或更多个基膜和两个或更多个粘合剂层交替堆叠的多层结构。聚合物树脂膜可包括选自由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)和尼龙构成的组中的至少一种。用于成形的膜构件可具有当在平面中观看时能够覆盖要通过深度拉深被成形的部分的尺寸的四边形形状。
49.在本发明中，步骤(s3)可包括以下工序：使用冲头按压层压片，以将层压片拉深第
一深度；以及进一步按压被拉深第一深度的层压片，使得层压片被进一步拉深等于第一深度的105％至200％的第二深度。
50.当层压片的厚度增加时，一般层压片的成形性提高。然而，在相反的情况下，层压片的成形性降低。因而，难以在确保层压片的成形性的同时减小电池壳体的厚度。
51.在根据本发明的电池壳体制造方法中，可在向层压片施加挥发性润滑剂的同时给层压片进一步附接用于成形的膜构件的状态下执行深度拉深。在这种情况下，可分散过度集中在层压片的被拉深的部分上的应力，从而将层压片的外部缺陷最小化并且提高层压片的成形性。
52.在形成电极组件容纳部之后，可从层压片分离膜构件，以便形成具有较小厚度的容纳部。结果，可增加单个电池单元中能够容纳的电极组件的数量，因此可提供具有高能量密度的二次电池的电池壳体。
53.在用于将层压片成形为电池壳体的深度拉深中，整个层压片不是均匀地被拉伸，仅特定区域被过度拉伸以形成容纳部。由于该原因，层压片的被强烈拉伸的部分被施加了相当大幅度的应力，从而可产生诸如裂纹或针孔之类的缺陷。在本发明中，对应力部分施加挥发性润滑剂，以便减小应力部分处的摩擦力并且防止只有应力部分过度拉伸。
54.另外，为了防止只有应力部分过度拉伸，可执行以下工序：使用冲头按压层压片，以将层压片拉伸第一深度；以及进一步按压被拉伸第一深度的层压片，使得层压片被进一步拉伸等于第一深度的105％至200％的第二深度。此时，优选第一深度为2mm至10mm。
55.此外，本发明可提供一种处于被附接有膜构件的状态的层压片。具体地，深度拉深用的层压片用于通过深度拉深形成配置为容纳电极组件的容纳部来制造电池壳体，深度拉深用的层压片可以是包括具有热熔合性的第一树脂层、具有材料阻挡特性的金属层以及作为外层的第二树脂层的堆叠片，或者可以是包括具有热熔合性的树脂层和具有材料阻挡特性的金属层的堆叠片，并且用于成形的膜构件可分离地附接至堆叠片的一个表面或相对两个表面。
56.可基于电池壳体的用途或目的使用具有各种厚度的层压片。例如，使用具有200μm厚度的片材制造的常规电池壳体可使用成形性提高的具有更小厚度的片材来制造。结果，可提供具有比常规电池壳体更小厚度的容纳部的电池壳体。
57.此外，本发明还可提供上述解决手段的所有可能组合。
58.有益效果
59.为了解决上述问题，本发明可提供一种高效的袋形电池壳体成形设备及使用该设备的袋形电池壳体制造方法，该袋形电池壳体成形设备在将袋形电池壳体成形时能够：
60.1)将层压片的外表面可能发生的表面损坏最小化；
61.2)防止在将薄层压片成形时形成针孔(pin-hole)或裂纹(crack)；
62.3)不显著改变常规的成形设备及使用其的方法；
63.4)不变地使用常规的层压片；
64.5)防止在成形后存在残留物。
65.通过上面的描述显见的是，在根据本发明的电池壳体制造方法中，在向层压片施加挥发性润滑剂的状态下执行深度拉深，从而可分散过度集中在层压片的被拉深的部分上的应力，因此提高层压片的成形性。在形成容纳部之后，挥发性润滑剂升华或蒸发，从而可
提供具有最小化的外部缺陷和减小的厚度的电池壳体。
附图说明
66.图1是根据本发明实施方式的袋形电池壳体成形设备的平面示意图。
67.图2至图5是示出根据本发明实施方式的制造电池壳体的一系列工序的示意图。
具体实施方式
68.现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，使得本发明所属领域的普通技术人员能够容易实施本发明的优选实施方式。然而，在详细描述本发明的优选实施方式的工作原理中，当本文中并入的已知功能和构造的详细描述可能会使本发明的主旨模糊不清时，则将省去该详细描述。
69.此外，整个附图中将使用相同的参考标记来表示执行相似功能或操作的部件。在整个申请中一个部件被称为连接至另一个部件的情况下，该一个部件不仅可直接连接至该另一个部件，而且该一个部件还可经由另外的部件间接连接至该另一个部件。此外，包括某一要素并不意指排除其他要素，而是指可进一步包括其他要素，除非另有说明。
70.此外，除非特别限制，否则通过限制或添加来具体化要素的描述可应用于所有发明，并且不限制具体发明。
71.此外，在本发明的说明书和本技术的权利要求书中，除非另外提及，否则单数形式旨在包括复数形式。
72.此外，在本发明的说明书和本技术的权利要求书中，除非另外提及，否则“或”包括“和”。因此，“包括a或b”是指三种情况，即，包括a的情况、包括b的情况、以及包括a和b的情况。
73.此外，除非上下文另有明确指示，否则所有数值范围包括最低值、最高值以及它们之间的所有中间值。
74.将参照附图详细描述本发明的实施方式。
75.图1是根据本发明实施方式的袋形电池壳体成形设备的平面示意图。
76.参照图1，根据本发明实施方式的成形设备10是将层压片1成形以形成配置为容纳电极组件的容纳部的设备，包括模具组件20和冲头30。
77.模具组件20是用于将与层压片1要被成形的部分1a相邻的层压片1的外周部分固定在正确位置的结构，模具组件20包括：模具21，模具21包括以与容纳部对应的形状形成的下凹部22和当在平面中观看时位于下凹部22的相对侧的外周壁23，层压片1安装于外周壁的上端；和保持件24，保持件24位于与外周壁23的上侧对应的位置处，保持件配置为向下按压层压片1的外周部分以将其固定在正确位置。
78.冲头30是用于按压被模具组件20固定在正确位置的层压片1的要被成形的部分1a，以通过深度拉深将层压片1成形从而形成容纳部的结构。冲头头具33是构成冲头30的部件并且当向下移动时进入开放凹部中，冲头头具33的外边缘被圆化，使得当层压片1通过深度拉深被拉深时不损坏层压片1。尽管冲头头具33有时被称为冲头，但在本发明中与之对应的部分被称为冲头头具33并且包括其的整体被称为冲头30。
79.层压片1位于固定不动的模具21与保持件24之间。更具体地，层压片1的除要被成
形的部分之外的外周部分安装于固定不动的模具21的外周壁23的上端，并且保持件24位于与外周壁23对应的上侧。此外，在保持件24的一个侧面设置有配置为供应挥发性润滑剂的注射喷嘴40。
80.注射喷嘴40不与冲头头具33的移动部分重叠，注射喷嘴40优选向要被成形部分1a，更优选向层压片1的被冲头头具33拉伸的部分施加挥发性润滑剂。图1示出了注射喷嘴40固定至形成在保持件24的一部分上的倾斜表面，但这仅仅是示例。注射喷嘴可固定至任何地方，只要注射喷嘴40不干扰冲头头具33的移动路径并且向层压片1的上表面的目标部分施加挥发性润滑剂即可。
81.图1示出了两个注射喷嘴40，然而，注射喷嘴的数量可根据需要改变。
82.冲头头具33的与层压片1对接的部分可至少包括配置为升高或降低温度的温度调节单元(未示出)。在升高温度的情况下，可提高层压片的柔软性，并且在深度拉深之后残留的润滑剂可快速升华或蒸发。
83.根据本发明的成形设备100未设置有配置为收集挥发性润滑剂的单独的润滑剂收集单元。在将挥发性润滑剂施加至层压片1并且通过深度拉深将层压片1成形之后，根据本发明的挥发性润滑剂非常快速地蒸发，从而不需要单独的润滑剂收集单元。
84.图2至图5是示出根据本发明实施方式的制造电池壳体的一系列工序的示意图。
85.参照图2，将层压片1的下表面固定至模具组件20，并且将配置为按压要被成形的部分1a的冲头30设置在层压片1上方。
86.与图2一起参照图1，在层压片1的下表面固定至固定不动的模具21的外周壁23的上端的状态下，层压片1的上表面被保持件24按压从而固定在正确位置。在通过模具组件20将层压片1固定在正确位置之后，执行深度拉深工序以形成容纳部。在执行深度拉深工序之前，通过注射喷嘴40向层压片施加挥发性润滑剂。
87.参照图3，示出了在层压片1中形成容纳部之前，冲头30与层压片1的上表面对接的状态。此时，注射喷嘴40不干扰冲头30的移动轨迹。
88.冲头30在位于层压片1上方的状态下在由箭头表示的方向上直线移动，从而冲头的下端表面与要被成形的部分1a的上表面对接。
89.接着，参照图4，示意性地示出了通过冲头按压层压片1的要被成形的部分1a以在层压片1中形成容纳部的工序。
90.在冲头30与层压片1对接的状态下连续执行该工序。冲头在由箭头表示的方向上直线移动以按压层压片1，使得在层压片1中形成容纳部。
91.具体地，参照图1和图4，冲头30按压被模具组件20固定的层压片1的要被成形的部分1a，直到要被成形的部分与下凹部22的内表面紧密接触，从而形成容纳部。
92.接着，参照图5，示出了最终制造形成有容纳部的层压片1的状态。
93.如前面所述，执行其中通过注射喷嘴40向层压片施加挥发性润滑剂并且在层压片中形成容纳部的深度拉深工序，从而可将层压片1的外部缺陷最小化，提高被拉伸的层压片1的成形性，并且减小由此制造的电池壳体的厚度。
94.本发明所属领域的技术人员将理解到，基于上面的描述，在本发明的范畴内各种应用和修改是可能的。
95.(参考标号说明)
96.1：层压片
97.1a：要被成形的部分
98.20：模具组件
99.21：模具
100.22：下凹部
101.23：外周壁
102.24：保持件
103.30：冲头
104.33：冲头头具
105.40：注射喷嘴。
106.工业实用性
107.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制造方法，该袋形电池壳体成形设备包括配置为将用作袋形电池壳体的层压片成形为长方体的冲头，其中袋形电池壳体成形设备进一步包括挥发性润滑剂供应单元，挥发性润滑剂供应单元配置为在层压片与冲头之间供应用于使层压片的表面损坏最小化的挥发性润滑剂。因而，本发明具有工业实用性。