一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法技术领域
本发明涉及一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法。
背景技术
锂电池是近年来开始广泛应用的一种新型军、民用能源器件，主要用于航天、航空、航海、电子自动化控制等领域，为控制系统提供电源能量，应用前景非常广阔。一次锂电池盖帽是一种金属-玻璃绝缘密封外壳，主要用于新型超小型超大容量一次锂电池，该一次锂电池主要应用于军事装备的控制系统、电子仪器仪表、能源装备等领域，为装备控制电源提供能量。在宇宙飞船、航空、通信、电子、海运等得到广泛应用，是新型超小型、超大容量一次锂电池急需的关键部件。其质量和性能将直接影响锂电池的产品质量和性能。由于一次锂电池用盖帽涉及的壳体零件材料与电极材料选用和加工、熔封焊接、玻璃与端子的密封烧结、热处理和电镀等多种关键技术，使其研制和加工都较困难。
一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽是一种新型盖帽，主要由壳体、电极和玻璃体三个部分组成，电极端子采用直杆 U形钽材料，钽的特性是在锂电池内可以保持电性能稳定、压降变化很小、耐电池液腐蚀。当壳体和封接部分为一体化结构时，形成高密封结构，不仅将各种类型的电池液密封在锂电池罩壳中，长期贮存不泄漏、不腐蚀，也将正、负极很好的绝缘起来，保证开路电压、闭路电压和电池容量的长期稳定。
利用现有的生产工艺来制造一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽，往往有以下问题：1、U形钽电极的折弯次数不能达到要求，锂电池在装配生产过程中很容易脆断，平均折弯1.5次脆断，无法实现生产；2、盖帽的钽电极表面有一层镀层镍，会改变电池在使用中的电化学特性，即改变锂电池的电特性；3、锂电池的电特性不稳定，电压较低，设计要求为3.2±0.3V，平均为2.9～3.0V；4、绝缘电阻≥1000MΩ。由于以上问题的存在，使得最终制作出的一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽达不到电池要求的密封、绝缘、压降、温度循环等技术性能指标，且不能保证电池的可靠性指标：电池贮存八年漏液失效率低于万分之二。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法，利用该加工方法加工出的一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽具有密封性好、U形钽电极不易脆断，使用后能够满足电池的漏液失效率低的要求。
为解决上述技术问题，本发明提供了一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法，所述一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽包括钽电极、玻璃体、壳体，壳体为中空的阶梯轴，钽电极为打扁后的折U形弯，其非U形部分插入壳体的内孔中，在壳体和钽电极两者的径向之间设置有玻璃体；所述一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法的具体步骤为：
（1）加工壳体：将板料冲压制成底板，再将底板光饰处理、退火，得壳体；
（2）加工钽电极：将钽电极打扁、弯曲、光饰处理、退火；
（3）加工玻璃体：将玻璃粉经过混合搅拌、制坯、排蜡、玻璃化制成玻璃坯；
（4）装配：将壳体、钽电极、玻璃体装配在模具上，放置在烧结炉内进行烧结。
为能简洁说明问题起见，以下对本发明所述一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法均简称为本加工方法。
由于本加工方法的具体步骤中对于壳体、钽电极、玻璃体先进行退火或玻璃化等处理，三者装配后又进行了烧结处理，使得利用该加工方法加工出的一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽具有密封性好、U形钽电极不易脆断，使用后能够满足电池的漏液失效率低的要求。
作为本加工方法的优化，所述步骤（1）中底板的光饰处理在滚光机上进行，采用直径2mm的圆形氧化铝磨粒，加表面处理剂和水，放置在一起滚光，氧化铝磨粒、表面处理剂和水的质量比例为100:2:30，滚光速度为40~60转/分钟，底板必须全部埋入配置好的滚光处理材料中，放置比例为底板: 处理材料=1:4。
当壳体使用DC06冷轧碳钢，步骤（1）中的退火为净化退火热处理工序，即在高温真空退火炉内完成，退火温度为900～1000℃；当壳体使用316L不锈钢，步骤（1）中的退火为去应力退火，在高温真空退火炉内完成，退火温度为900～1000℃
壳体材料共两类，一类是冷轧碳钢，一类是不锈钢。冷轧碳钢类选用DC06，不锈钢选用316L。与其它低碳钢材料相比DC06材料热膨胀系数较低，烧结后一致性好，封接性能稳定。316L属于奥氏体系不锈钢，与一般的不锈钢相比，含碳量低，耐腐蚀性好，热膨胀性能稳定，烧结后的表面处理外观良好，封接性能好。
所述步骤（2）中钽电极的打扁在冲床上进行，弯曲分为一次和二次弯曲，在1T型普通冲床上完成，光饰在滚光机上进行，采用直径2mm的圆形氧化铝磨粒，加表面处理剂和水，放置在一起滚光，磨粒、表面处理剂和水的质量比例为100:2:30，滚光速度为40~60转/分钟，引线脚必须全部埋入配置好的处理材料中，放置比例为引线脚: 处理材料=1:4；退火在高温真空退火炉内完成，退火温度为980～1050℃。
钽电极经上述处理后，可消除应力，去除杂质、净化表面，保证引线脚的耐腐蚀要求和折弯次数。净化后的钽电极材料无氧化物或杂质，使得电池的导电性能和电压稳定性提高，输出电压由处理前的2.9～3.0V提高到3.1～3.3V（平均值）。
引线脚材料采用对锂电池电压有很好稳定作用性能优越的冶金级钽材料。钽的特性是在锂电池内可以保持电性能稳定、压降变化很小。
所述步骤（3）所述的制坯是在冲床上利用模具制出带通孔的玻璃柱体生坯，然后在链式炉中排蜡、玻璃化，温度为650℃，时间为6小时。
本加工方法所述的玻璃坯是经过一系列的设计计算和试验完成的，采用硼硅玻璃材料，其玻璃中的SiO2、BO、NaO等成分与壳体中的FeO、BO氧化成分可以良好的浸润，与选用的壳体材料形成良好的压缩封接，保证了钽材料封接的密封性能。
所述装配的环境要清洁、干燥，湿度低于40%，保证烧结玻璃表面的洁净。
本加工方法中，要保证烧结玻璃表面的洁净，使绝缘电阻和封接强度达到设计要求。
步骤（4）所述的装配在石墨模具舟中进行，装配好后利用氮气为保护气、在链式烧结炉内进行烧结，烧结步骤为：先以小于50℃/分钟的速度升温，当温度达到1000~1010℃时保持15～20分钟，然后以50～100℃/分钟的速度降温至500~550℃保持10分钟，再以小于50℃/分钟的速度降温到室温。
所述烧结的工艺曲线见附图1，其中：
升温段的升温速度小于50℃/分钟，在该阶段使玻璃达到熔点；
T1为930～1010℃，时间15～20分钟，使玻璃与金属底板以及引线脚能够烧结在一起；
第一段降温速度为50～100℃/分钟，可以尽快降温；
T2段温度为500~550℃，保温10分钟，T2段的主要作用是消除烧结后的玻璃的内部应力，提高烧结产品的环境适应性能；
T2段完成后，再以小于50℃/分钟的速度降到室温。
钽金属的重要性质之一是很容易吸收氢、氧、氮及其它气体。这类杂质元素的存在对金属钽的机械性能和电性能有很大影响。因此烧结工艺技术是该项目的主要关键技术。
所述烧结工艺采用大流量氮气气幕保护、负压链式连续烧结的工艺技术；所述烧结炉内不能有氢气，氧气的含量小于80ppm。
所述烧结采用的烧结炉要连续使用，如果停炉一周必须先预烘炉，然后通氮气达3小时以上清洗炉体，使炉内的吸附气体、杂质排出。
步骤（2）中还包括对钽电极进行表面清洁处理的步骤，清洁处理采用光饰—超声除油—超声酒精清洗—超声去离子水多道洗—焙烘的方法。
保证钽电极表面无有机、无机杂质和吸附物，为后面的封接创造良好的金属化状态。
综上所述，利用本加工方法加工出的一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽具有密封性好、U形钽电极不易脆断，使用后能够满足电池的漏液失效率低的要求，且具有耐腐蚀、耐温度冲击、耐压力、环境适应性好、可靠性高等特点。
依据本加工方法加工出的一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽能够满足以下指标：
1、钽电极引出端的折弯次数达到4.5次；
2、电压稳定在设计要求的值，平均为3.1～3.3V；
3、泄漏率≤1×10-9Pa·m3/s；
4、温度循环：-55℃～+125℃ 100次；
5、绝缘电阻≥5000MΩ。
附图说明
图1：烧结的工艺曲线。
图2：一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的结构示意图。
具体实施方式
以下通过给出的实施例可以进一步清楚地了解本发明。但它们不是对本发明的限定。
实施例一：
一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法，参见图2，所述一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽包括钽电极1、玻璃体2、壳体3，壳体3为中空的阶梯轴，钽电极1为打扁后的折U形弯，其非U形部分插入壳体3的内孔中，在壳体3和钽电极1两者的径向之间设置有玻璃体2；所述一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法的具体步骤为：
（1）加工壳体3：将DC06冷轧碳钢冲压制成底板，再将底板光饰处理、退火，得壳体3；
底板的光饰处理在滚光机上进行，采用直径2mm的圆形氧化铝磨粒，加表面处理剂即常规的化学清洗剂和水，放置在一起滚光，氧化铝磨粒、化学清洗剂和水的质量比例为100:2:30，滚光速度为40~60转/分钟，底板必须全部埋入配置好的滚光处理材料中，放置比例为底板: 处理材料=1:4；
底板经光饰处理后进行净化退火热处理工序，即在高温真空退火炉内完成，退火温度为900～1000℃；
（2）加工钽电极1：将钽电极1表面清洁处理、打扁、弯曲、光饰处理、退火；
钽电极1清洁处理采用光饰—超声除油—超声酒精清洗—超声去离子水多道洗—焙烘的方法；
钽电极1的打扁在冲床上进行，该电极形状复杂，不能在一次弯曲中成型，故弯曲分为一次和二次弯曲，在1T型普通冲床上完成，光饰在滚光机上进行，采用直径2mm的圆形氧化铝磨粒，加表面处理剂即常规的化学清洗剂和水，放置在一起滚光，磨粒、化学清洗剂和水的质量比例为100:2:30，滚光速度为40~60转/分钟，引线脚必须全部埋入配置好的处理材料中，放置比例为引线脚: 处理材料=1:4；退火在高温真空退火炉内完成，退火温度为980～1050℃；
（3）加工玻璃体2：将玻璃粉经过混合搅拌、制坯、排蜡、玻璃化制成玻璃坯；
制坯是在冲床上利用模具制出带通孔21的玻璃柱体生坯，然后在链式炉中排蜡、玻璃化，温度为650℃，时间为6小时；
（4）装配：将壳体3、钽电极1、玻璃体2装配在模具上，放置在烧结炉内进行烧结。
装配的环境要清洁、干燥，湿度低于40%，保证烧结玻璃表面的洁净。
装配在石墨模具舟中进行，装配好后利用大流量氮气气幕保护、负压链式连续烧结的工艺技术、在链式烧结炉内进行烧结，烧结步骤为：先以小于50℃/分钟的速度升温，当温度达到1000～1010℃时保持15～20分钟，然后以小于50～100℃/分钟的速度降温至500~550℃保持10分钟，再以小于50℃/分钟的速度降温到室温；
所述烧结炉内不能有氢气，氧气的含量小于80ppm。
所述烧结采用的烧结炉要连续使用，如果停炉一周必须先预烘炉，然后通氮气达3小时以上清洗炉体。
实施例二：
一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法，参见图2，所述一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽包括钽电极1、玻璃体2、壳体3，壳体3为中空的阶梯轴，钽电极1为打扁后的折U形弯，其非U形部分插入壳体3的内孔中，在壳体3和钽电极1两者的径向之间设置有玻璃体2；所述一次性锂电池钽电极玻璃一体化盖帽的加工方法的具体步骤为：
（1）加工壳体3：将316L不锈钢冲压制成底板，再将底板光饰处理、退火，得壳体3；
底板的光饰处理在滚光机上进行，采用直径2mm的圆形氧化铝磨粒，加表面处理剂（即常规的化学清洗剂）和水，放置在一起滚光，氧化铝磨粒、表面处理剂和水的质量比例为100:2:30，滚光速度为40~60转/分钟，底板必须全部埋入配置好的滚光处理材料中，放置比例为底板: 处理材料=1:4；
底板经光饰处理后进行退火为去应力退火；
（2）加工钽电极1：将钽电极1表面清洁处理、打扁、弯曲、光饰处理、退火；
钽电极1清洁处理采用光饰—超声除油—超声酒精清洗—超声去离子水多道洗—焙烘的方法；
钽电极1的打扁在冲床上进行，该电极形状复杂，不能在一次弯曲中成型，故弯曲分为一次和二次弯曲，在1T型普通冲床上完成，光饰在滚光机上进行，采用直径2mm的圆形氧化铝磨粒，加表面处理剂即常规的化学清洗剂和水，放置在一起滚光，磨粒、表面处理剂和水的质量比例为100:2:30，滚光速度为40~60转/分钟，引线脚必须全部埋入配置好的处理材料中，放置比例为引线脚: 处理材料=1:4；退火在高温真空退火炉内完成，退火温度为1000～1050℃；
（3）加工玻璃体2：将玻璃粉经过混合搅拌、制坯、排蜡、玻璃化制成玻璃坯；
制坯是在冲床上利用模具制出带通孔21的玻璃柱体生坯，然后在链式炉中排蜡、玻璃化，温度为650℃，时间为6小时；
（4）装配：将壳体3、钽电极1、玻璃体2装配在模具上，放置在烧结炉内进行烧结。
装配的环境要清洁、干燥，湿度低于40%，保证烧结玻璃表面的洁净；
装配在石墨模具舟中进行，装配好后利用大流量氮气气幕保护、负压链式连续烧结的工艺技术、在链式烧结炉内进行烧结，烧结步骤为：先以小于50℃/分钟的速度升温，当温度达到1000～1010℃时保持15～20分钟，然后以小于50～100℃/分钟的速度降温至500~550℃保持10分钟，再以小于50℃/分钟的速度降温到室温；
所述烧结炉内不能有氢气，氧气的含量小于80ppm。
所述烧结采用的烧结炉要连续使用，如果停炉一周必须先预烘炉，然后通氮气达3小时以上清洗炉体。
以上所述的仅是本发明的两个实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。