锂电池外壳用铝合金材料的进展
一、引言
铝是元素周期表中第三周期主族元素，原子序数为13，原子量为26.9815。铝具有一系列比其他有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性，如密度小，仅为2.7g/cm3，约为铜或钢的1/3；因此，铝合金被公认为是未来汽车轻量化的理想材料之一。此外，铝材的高温性能、成型性能、切削加工性、铆接性以及表面处理性能等也比较好。因此，铝材在航天、航海、航空、汽车、交通运输、桥梁、建筑、电子电气、能源动力、冶金化工、农业排灌、机械制造、包装防腐、电器家具、日用文体等各个领域都获得了十分广泛的应用。
二、铝合金的分类
向铝中加入某种或几种元素后即构成铝合金。铝合金对于纯铝可以提高强度、硬度，除固熔强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa ，与低碳钢相当，强度与密度则胜过某些合金钢。
（1）按铝合金的成分、加工特点和性能，铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，其中形变铝合金又分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝4类。形变铝合金的分类方法很多，目前，世界上绝大部分国家通常按以下3种方法进行分类。 a. 按合金状态图及热处理特点分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两大类。不可热处理强化铝合金（如：纯铝、Al-Mn 、Al-Mg 、Al-Si 系合金）和可热处理强化铝合金（如：Al-Mg-Si 、Al-Cu 、Al-Zn-Mg 系合金）。
b. 按合金性能和用途可分为：工业纯铝、成形铝合金、切削铝合金、耐热铝合金、低强度铝合金、中强度铝合金、高强度铝合金（硬铝）、超高强度铝合金（超硬铝）、锻造铝合金及特殊铝合金等。
c. 按合金中所含主要元素成分可分为：工业纯铝（1×××系），Al-Cu 合金（2×××系），Al-Mn 合金（3×××系），Al-Si 合金（4×××系），Al-Mg 合金（5×××系），Al-Mg-Si 合金（6×××系），Al-Zn-Mg 合金（7×××系），Al-其它元素合金（8×××系）及备用合金组（9×××系）。
铝合金特点及应用实例如表1所示。
表1 铝合金特点及应用实例
使用铝合金冲压成型主要是解决已有的锂电池采用工程塑料外壳需做的厚、重才能满足电池的气胀问题，纯铝外壳只能用于小容量的电池外壳，铝塑膜软包装使用不便，寿命短，不锈钢外壳不耐腐蚀，不抗老化，影响使用寿命的问题。而铝合金外壳具有重量轻, 加工简单, 实用性强, 对抗腐蚀性和氧化性效果好, 可使用性接口特点良好, 加工性好, 不怕电池的气胀, 电池使用寿命长等一系列的优点。
三、合金冲压工艺制定要求
在级进拉深钣金模设计中，当金属壳体最大深/径比小于1．2时，用于生产此金属壳体的级进模一般常采用条料送进的方式。而当其最大深/径比大于1．2时，如果仍采用条料的送进方式，不仅因条料宽度的变化而造成送进困难，而且还因每步拉深均由于压边力的作用而成为变薄拉深，变薄拉深会使壳体材料变硬变脆，所以，越到后面工位就越容易出现中间拉断或“掉底”。尤其是对于非圆形壳体的拉深，这种现象更为明显。因此，对于最大深/径比大于1．2的金属壳体
拉深一般不采用条料送进的方式，而采用“机械手”送进，如此可做到送进平稳，避免中间拉断或“掉底”，且加工出来的壳体尺寸精确、表面亮丽、壁厚均匀。下面以手机锂电池铝壳体的拉深加工成形为例进行论述。
锂电池壳体如图1所示，该壳体为一底部封闭的空心方形物，底部壁厚为0．35mm ，其余壁厚为0．3mm 。壳体材料为3A21铝合金，其塑性、韧性和延展性都比较好。对该壳体零件的质量要求是:在满足图1尺寸的前提下，壳体无裂痕，外表面光滑，上端的方形端口平整、不变形，且边缘无毛刺。根据零件的材料、形状和质量要求，在级进模具上采用厚度为0．35mm 、宽为64mm 的条料进行加工，其排样方案如图2所示。按照排样方案，条料是横向进入第一工位的。下料后，一方面余料被切成了碎片从后面的方孔落下而离开模具; 另一方面坯料由薄片推杆送至第二工位。为防止坯料由于弹力或粘力而推前或回弹，该级进模具在第二工位安排了精确定位，即坯料前面有两个固定的定位销，后面有两个定位浮钉(如图3所示) 。
图1 锂电池铝壳零件图
图2 排样方案
图3 第二工位定位
从第二至第三、第三至第四、第四至第五、第五至第六等工位的送进过程是由四个机械“抓手”同步送进的。该模具安排第二、第三、第四等三工位为非变薄性拉深，因此在拉深过程中材质塑性、韧性和延展性均保持比较好。第五工位是变薄性拉深，为避免壳体中间断裂或“掉底”，此工位的凹模工作部分采用镶块模式，镶块高为10 mm，以减少拉深过程的摩擦力。第五工位壳体拉深后的横向尺寸变化小，但深度变化大，这有助于确保壳体尺寸的精确以及壁厚的一致性和表面光亮的质量。壳体经过第五工位拉深后，由于变薄拉深的冷作硬化，使得壳体材料变得比原来硬得多，增强了壳体的刚性。第六工位是对壳体上端口的剪切冲裁，上端口剪切后，壳体从该工位底下离开模具，至此完成了电池壳体的加
工过程。
冲压工艺时应当注意的事项：（1）CAE 分析网格划分Fine 级别以上；（2）Lube 值：涂油0.12，不涂油0.15；（3）开裂判定要求减薄率小于0.18；（4）外板件要满足主应变大于3%，次应变大于0%；（5）提前分析回弹，后期调试较困难；（6）包边时翻边内R 角要求R2mm （国内材质R3mm ）以上；（7）包边模过翻边量一般为0.5mm 。
展望
随着科学技术和经济的发展，清洁能源的使用，特别是电动汽车等行业的迅速发展，使用铝合金作为锂电池外壳将成为未来发展的一个方向。
锂电池外壳用铝合金材料的进展
一、引言
铝是元素周期表中第三周期主族元素，原子序数为13，原子量为26.9815。铝具有一系列比其他有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性，如密度小，仅为2.7g/cm3，约为铜或钢的1/3；因此，铝合金被公认为是未来汽车轻量化的理想材料之一。此外，铝材的高温性能、成型性能、切削加工性、铆接性以及表面处理性能等也比较好。因此，铝材在航天、航海、航空、汽车、交通运输、桥梁、建筑、电子电气、能源动力、冶金化工、农业排灌、机械制造、包装防腐、电器家具、日用文体等各个领域都获得了十分广泛的应用。
二、铝合金的分类
向铝中加入某种或几种元素后即构成铝合金。铝合金对于纯铝可以提高强度、硬度，除固熔强化外，有些铝合金还可以热处理强化，使有些铝合金的抗拉强度可超过600MPa ，与低碳钢相当，强度与密度则胜过某些合金钢。
（1）按铝合金的成分、加工特点和性能，铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，其中形变铝合金又分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝4类。形变铝合金的分类方法很多，目前，世界上绝大部分国家通常按以下3种方法进行分类。 a. 按合金状态图及热处理特点分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两大类。不可热处理强化铝合金（如：纯铝、Al-Mn 、Al-Mg 、Al-Si 系合金）和可热处理强化铝合金（如：Al-Mg-Si 、Al-Cu 、Al-Zn-Mg 系合金）。
b. 按合金性能和用途可分为：工业纯铝、成形铝合金、切削铝合金、耐热铝合金、低强度铝合金、中强度铝合金、高强度铝合金（硬铝）、超高强度铝合金（超硬铝）、锻造铝合金及特殊铝合金等。
c. 按合金中所含主要元素成分可分为：工业纯铝（1×××系），Al-Cu 合金（2×××系），Al-Mn 合金（3×××系），Al-Si 合金（4×××系），Al-Mg 合金（5×××系），Al-Mg-Si 合金（6×××系），Al-Zn-Mg 合金（7×××系），Al-其它元素合金（8×××系）及备用合金组（9×××系）。
铝合金特点及应用实例如表1所示。
表1 铝合金特点及应用实例
使用铝合金冲压成型主要是解决已有的锂电池采用工程塑料外壳需做的厚、重才能满足电池的气胀问题，纯铝外壳只能用于小容量的电池外壳，铝塑膜软包装使用不便，寿命短，不锈钢外壳不耐腐蚀，不抗老化，影响使用寿命的问题。而铝合金外壳具有重量轻, 加工简单, 实用性强, 对抗腐蚀性和氧化性效果好, 可使用性接口特点良好, 加工性好, 不怕电池的气胀, 电池使用寿命长等一系列的优点。
三、合金冲压工艺制定要求
在级进拉深钣金模设计中，当金属壳体最大深/径比小于1．2时，用于生产此金属壳体的级进模一般常采用条料送进的方式。而当其最大深/径比大于1．2时，如果仍采用条料的送进方式，不仅因条料宽度的变化而造成送进困难，而且还因每步拉深均由于压边力的作用而成为变薄拉深，变薄拉深会使壳体材料变硬变脆，所以，越到后面工位就越容易出现中间拉断或“掉底”。尤其是对于非圆形壳体的拉深，这种现象更为明显。因此，对于最大深/径比大于1．2的金属壳体
拉深一般不采用条料送进的方式，而采用“机械手”送进，如此可做到送进平稳，避免中间拉断或“掉底”，且加工出来的壳体尺寸精确、表面亮丽、壁厚均匀。下面以手机锂电池铝壳体的拉深加工成形为例进行论述。
锂电池壳体如图1所示，该壳体为一底部封闭的空心方形物，底部壁厚为0．35mm ，其余壁厚为0．3mm 。壳体材料为3A21铝合金，其塑性、韧性和延展性都比较好。对该壳体零件的质量要求是:在满足图1尺寸的前提下，壳体无裂痕，外表面光滑，上端的方形端口平整、不变形，且边缘无毛刺。根据零件的材料、形状和质量要求，在级进模具上采用厚度为0．35mm 、宽为64mm 的条料进行加工，其排样方案如图2所示。按照排样方案，条料是横向进入第一工位的。下料后，一方面余料被切成了碎片从后面的方孔落下而离开模具; 另一方面坯料由薄片推杆送至第二工位。为防止坯料由于弹力或粘力而推前或回弹，该级进模具在第二工位安排了精确定位，即坯料前面有两个固定的定位销，后面有两个定位浮钉(如图3所示) 。
图1 锂电池铝壳零件图
图2 排样方案
图3 第二工位定位
从第二至第三、第三至第四、第四至第五、第五至第六等工位的送进过程是由四个机械“抓手”同步送进的。该模具安排第二、第三、第四等三工位为非变薄性拉深，因此在拉深过程中材质塑性、韧性和延展性均保持比较好。第五工位是变薄性拉深，为避免壳体中间断裂或“掉底”，此工位的凹模工作部分采用镶块模式，镶块高为10 mm，以减少拉深过程的摩擦力。第五工位壳体拉深后的横向尺寸变化小，但深度变化大，这有助于确保壳体尺寸的精确以及壁厚的一致性和表面光亮的质量。壳体经过第五工位拉深后，由于变薄拉深的冷作硬化，使得壳体材料变得比原来硬得多，增强了壳体的刚性。第六工位是对壳体上端口的剪切冲裁，上端口剪切后，壳体从该工位底下离开模具，至此完成了电池壳体的加
工过程。
冲压工艺时应当注意的事项：（1）CAE 分析网格划分Fine 级别以上；（2）Lube 值：涂油0.12，不涂油0.15；（3）开裂判定要求减薄率小于0.18；（4）外板件要满足主应变大于3%，次应变大于0%；（5）提前分析回弹，后期调试较困难；（6）包边时翻边内R 角要求R2mm （国内材质R3mm ）以上；（7）包边模过翻边量一般为0.5mm 。
展望
随着科学技术和经济的发展，清洁能源的使用，特别是电动汽车等行业的迅速发展，使用铝合金作为锂电池外壳将成为未来发展的一个方向。