鋰電池可回收有機硅膠包裝設計及其性能分析

廖昌宇，田野，王德森

綠色包裝與循環經濟

鋰電池可回收有機硅膠包裝設計及其性能分析

廖昌宇，田野，王德森

（哈爾濱商業大學 輕工學院，哈爾濱 150000）

針對目前鋰電池包裝密封性差，正負極容易被潮濕環境損壞的情況，設計一種內包裝采用HL-1029有機硅膠包裹鋰電池，外包裝用瓦楞紙盒包裝的結構。根據鋰電池型號及尺寸計算HL-1029包裹體厚度，建立包裝件三維模型，在有限元環境中分析3 500 mm碼垛高度以及1 200 mm跌落高度下，瓦楞紙箱、瓦楞紙隔板、HL-1029包裹體以及鋰電池的應力云圖。3 500 mm碼垛高度以及1 200 mm跌落高度下，鋰電池所受的靜應力和等效應力分別為0.03 MPa和8.80 MPa，鋰電池所受靜應力和等效應力均未超出其材料的屈服強度。綜合有限元分析結果，HL-1029包裹體可為鋰電池運輸過程中提供充分的防護，并且具有極高的可循環性。研究可為鋰電池以及精密電子元器件的密封性包裝提供研究思路。

鋰電池；有機硅膠；跌落仿真

目前市場上常見的鋰電池包裝方法無法對其兩極形成有效的保護，在運輸過程中由于濕度等環境因素，可能導致鋰電池發生爆炸并產生有毒氣體[1-3]。通過對鋰電池可回收包裝的研究，可以降低安全隱患，促進節能減排。

Fang等[4-5]在真空環境中將氮化硼泡沫（BNF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）相互滲透組成的新型柔性聚合物復合材料，發現該復合材料具有優異的綜合性能。Yang等[6]研究了可壓縮聚氨酯（PU）泡沫電池墊對軟包電池的防護性能，發現PU泡沫能夠很好地減輕外部沖擊對軟包電池的影響。王天佑等[7]提出了一種外包裝為瓦楞紙板，內包裝為發泡聚乙烯（EPE）的鋰電池包裝方法，模擬結果表明鋰電池所受應力為其許用應力的4.40%。徐博易等[8]制得HL-1029有機硅膠試件，通過單軸拉伸試驗得出其應力-應變參數，并在有限元軟件中模擬其對軸承的防護性能。

本文提出一種內包裝采用HL-1029有機硅膠包裹鋰電池，外包裝采用瓦楞紙盒包裝的方式。在有限元環境中對包裝件進行靜應力分析以及跌落分析，分別得到包裝件各部分的應力云圖。收集整理有限元模擬數據，分析該可回收包裝結構對鋰電池的緩沖性能。

1 鋰電池可回收包裝設計

1.1 可回收材料

本文針對某品牌18650型鋰電池的運輸包裝，采用HL-1029有機硅膠以及瓦楞紙盒作為包裝材料。有機硅膠具有表面張力小、耐高低溫、電絕緣好等性質[9-10]，文中選用的高透明灌封有機硅膠HL-1029[11]，為雙組分室溫硫化硅橡膠，具有A、B 2個組分，如圖1所示。其可以在室溫環境下實現固化，具體各項使用參數如下：A和B的質量比為1∶1，膠化時間為8～12 h（25 ℃），暴露在空氣中可使用時間為1 h（25 ℃，混合量為100 g），硬化時間為24 h（25 ℃）。

本文設計的包裝結構在內包裝方面選擇用HL-1029完全包裹鋰電池，其防水防潮、密封穩定的特性，可以很好地解決鋰電池因正負極裸露在潮濕環境而導致熱失控的問題[7]。HL-1029具有很好的透視性，無需將鋰電池從包裹體中取出，就可以直觀地觀察到鋰電池是否有變形破損。同時，HL-1029未固化前為可流動的黏稠液體，具有非常好的可塑性，能夠對不同形狀規格的鋰電池進行封裝。最后，可以將使用后的HL-1029進行回收，通過物理破碎的方法，將其碾碎成細小顆粒，在下次包裝時可以加入約占HL-1029包裹體總質量33%的回收顆粒充當填料，與新的HL-1029溶液一起澆鑄，降低包裝成本，充分循環利用，其循環原理如圖2所示。

圖1 HL-1029有機硅膠

圖2 HL-1029包裹體循環利用原理

HL-1029包裹體可以通過澆鑄的方法制得。首先，通過3D打印技術得到HL-1029包裹體的澆鑄模具，如圖3所示，并將模具的各部件依次拼裝。隨后，將鋰電池放入澆鑄模具中倒入HL-1029有機硅膠溶液，其中溢流孔的作用為方便排出多余的HL-1029有機硅膠溶液以及澆鑄時產生的氣泡。

圖3 HL-1029包裹體澆鑄模具

在室溫條件下放置24 h，待其完全固化便可進行脫模。為了方便脫模，可以在澆鑄前對模具內壁噴灑適量的脫模劑，其流程如圖4所示。

圖4 HL-1029包裹體澆鑄流程

瓦楞紙盒因其紙板結構中空缺體積較大，故具有良好的減震緩沖性能，可避免被包裝物品受碰撞和沖擊。根據GB/T 6543—2008，選用C楞單瓦楞紙盒，厚度為4 mm，其結構如圖5所示。

圖5 單瓦楞紙盒結構

1.2 HL-1029有機硅膠包裹體厚度計算

本文中被包裝的鋰電池質量為0.046 kg，底部直徑18 mm，高度65 mm，其脆值選為180。根據《國際海運危險貨物規則》等運輸規定，鋰電池為第9類危險品，其跌落實驗的高度必須滿足1.20 m。因此，最終確定有限元分析的跌落高度為1 200 mm[12-13]。

將鋰電池豎直放在HL-1029有機硅膠上，鋰電池受到的緩沖面積是其底部與HL-1029的接觸面積，通過計算可得的值為2.54×10?4m2，有機硅膠受到的最大應力c由式（1）可以得到[8]。

式中：為鋰電池質量。

根據文獻[9]與文獻[11]中的相關研究，由HL-1029硅膠材料的本構關系可知，其應力-緩沖系數曲線如圖6所示。

結合圖6中的曲線，可得當應力為0.33 MPa時，所對應的緩沖系數H為1.30，則HL-1029包裹體的厚度由式（2）可以得到[8]。

包裹體的最小厚度為8.70 mm時，才能達到緩沖要求。因為鋰電池為特殊危險品，為了提高防護性能，最終取包裹體的厚度為9 mm。

2 鋰電池可回收包裝有限元仿真

2.1 包裝建模

文中鋰電池的底部圓形直徑=18 mm，高l=65 mm，外包裝盒選取C楞單瓦楞紙盒，厚度為4 mm。結合上述對HL-1029包裹體厚度的計算，包裹體的尺寸分別為長HL-1029=36 mm、寬HL-1029=36 mm、高HL-1029=83 mm，如圖7所示。

根據GB/T 4892—2021的相關規定，瓦楞紙箱的長寬之比一般不大于2.50∶1，高寬比一般不大于2∶1，不小于0.15∶1。因此，綜合上述規定將鋰電池以及HL-1029包裹體以三行五列的排列方式包裝，如圖8所示。同時，為了方便將包裹體從瓦楞紙箱里面拿出，用厚度為4 mm的瓦楞紙板將各包裹體隔開。

圖7 HL-1029包裹體尺寸

2.2 有限元仿真前處理

鋰電池其結構主要由正負極、安全閥、密封圈、殼體等部件組成[14-19]。為了分析方便，選擇鋰電池外殼作為主要研究對象，同時單獨將鋰電池的網格大小設置為3 mm。包裝件、鋰電池的網格劃分以及材料屬性如圖9a、圖9b和表1所示。

圖8 包裝件爆炸圖

圖9 網格劃分

表1 材料屬性

Tab.1 Material attribute

為了簡化求解過程，將包裝件設置為距離剛性地面10 mm處，給予其一個初始速度，其大小由式（3）可得[8]。

3 仿真結果分析

3.1 碼垛高度和強度安全系數選擇

碼垛高度以及強度安全系數與包裝件的運輸方式、運輸時間等因素有關。根據國家相關規定，其數值如表2和表3所示[20]。

表2 碼垛高度

Tab.2 Stacking height

表3 強度安全系數

Tab.3 Strength factor of safety

綜上所示，考慮到鋰電池的特殊性，選取碼垛高度m=3 500 mm，強度安全系數=2，包裝件總質量為2.38 kg。根據式（4）可以求出底部包裝件所受靜載荷[20]。

式中：為強度安全系數；m為碼垛高度；為包裝件高度；p為包裝件質量。

3.2 靜力學結果分析

在有限元軟件中，將包裝件底部設置為固定，對其頂部施加1 570 N的豎直向下的壓力。瓦楞紙箱以及瓦楞紙隔板所受的應力及變形情況如圖10a和圖10b所示。在靜載荷的作用下，瓦楞紙箱以及瓦楞紙隔板所受的最大靜應力分別為0.60 MPa和0.70 MPa，最大應力均出現在瓦楞紙箱以及瓦楞紙隔板的頂部。由于瓦楞紙的強度極限為1.05 MPa，所以瓦楞紙箱以及瓦楞紙隔板未受到破壞。

HL-1029包裹體以及鋰電池的應力及變形情況如圖10c和圖10d所示。在靜載荷的作用下，HL-1029包裹體以及鋰電池所受的最大靜應力分別為2.30×10?3MPa和0.03 MPa，最大應力均出現在包裹體以及鋰電池的頂部，由于鋰電池的屈服強度為132.20 MPa，包裹體以及鋰電池未受到破壞。

3.3 1 200 mm高度跌落結果分析

包裝件跌落后，瓦楞紙箱以及瓦楞紙隔板所受應力和變形情況如圖11所示。由圖11可以看出，在3.00×10?3s以及4.5×10?3s時，瓦楞紙箱、瓦楞紙隔板所受等效應力最大，最大應力分別為1.70 MPa和1.20 MPa。最大應力出現在瓦楞紙箱以及瓦楞紙隔板的底部，其數值均大于瓦楞紙的強度極限1.05 MPa，說明瓦楞紙箱以及瓦楞紙隔板均受到一定的破壞。

HL-1029包裹體以及鋰電池所受應力以及變形情況如圖12所示。由圖12可以看出，在4.50×10?3s以及1.20×10?3s時，HL-1029包裹體、鋰電池所受等效應力最大，最大應力分別為0.35 MPa和8.80 MPa。最大應力出現在包裹體以及鋰電池的底部，包裹體有一定程度的變形，但鋰電池跌落所受最大應力遠小于其屈服應力，鋰電池沒有遭到破壞。

圖10 包裝件各部分靜應力云圖

圖11 瓦楞紙箱和瓦楞紙隔板的等效應力云圖及等效應力折線圖

圖12 HL-1029包裹體和鋰電池的等效應力云圖及等效應力折線圖

4 結語

文章對所提出的鋰電池可回收包裝的緩沖性能進行了分析，有以下結論：

1）針對目前鋰電池包裝密封性差，正負極容易被潮濕環境損壞的情況，提出了一種內包裝采用HL-1029有機硅膠包裹鋰電池，外包裝采用瓦楞紙箱包裝的包裝方式。其中瓦楞紙箱以及HL-1029有機硅膠都可以重復利用，綠色環保。

2）通過對包裝件進行靜應力分析，分別得到包裝件各部分的應力云圖。結果表明在3 500 mm碼垛高度下，鋰電池所受的靜應力大小為0.03 MPa，遠小于鋰電池的屈服應力。

3）在有限元環境中對包裝件進行跌落模擬，分別得到包裝件各部分的應力云圖。結果表明在1 200 mm跌落高度下，鋰電池所受的等效應力大小為8.80 MPa，該包裝結構能夠很好地為鋰電池提供保護。

[1] ELIA G A, KRAVCHYK K V, KOVALENKO M V, et al. An Overview and Prospective on Al and Al-Ion Battery Technologies[J]. Journal of Power Sources, 2021, 481(1): 228870.

[2] HSUEH T H, WANG M C, LIU S E. Sputtered Silver on the Current Collector for Anode-Less NMC111 Gel Polymer Electrolyte Lithium Batteries[J]. Electrochemistry Communications, 2023, 150: 107478.

[3] BESCH K M, PALSSON H. A Supply Chain Perspective on Green Packaging Development-Theory Versus Practice[J]. Packaging Technology and Science, 2016, 29(1): 45-63.

[4] FANG H, BAI S, WONG P C. Thermal, Mechanical and Dielectric Properties of Flexible BN Foam and BN Nanosheets Reinforced Polymer Composites for Electronic Packaging Application[J]. Composites Part A, 2017, 100: 71-80.

[5] SEBASTIAN A, CANH M V, DINESHKUMAR M, et al. Dual 3D Networks of Graphene Derivatives Based Polydimethylsiloxane Composites for Electrical Insulating Electronic Packaging Materials with Outstanding Electromagnetic Interference Shielding and Thermal Dissipation Performances[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 462: 142017.

[6] YANG C B, SUNDERLIN N, WANG W, et al. Compressible Battery Foams to Prevent Cascading Thermal Runaway in Li-Ion Pouch Batteries[J]. Journal of Power Sources, 2022, 541: 231666.

[7] 王天佑, 盧秋婷, 梁怡良, 等. 圓柱形動力鋰電池的綠色包裝設計及跌落仿真試驗[J]. 包裝工程, 2023, 44(5): 291-296.

WANG T Y, LU Q T, LIANG Y L, et al. Green Packaging Design and Drop Simulation Test of Cylindrical Power Lithium Battery[J]. Packaging Engineering, 2023, 44(5): 291-296.

[8] 徐博易, 于蕾, 田野. 高精密軸承套杯式緩沖墊性能試驗研究[J]. 包裝學報, 2020, 12(2): 64-70.

XU B Y, YU L, TIAN Y. Experimental Study on the Performance of High Precision Bearing Cup Cushion[J]. Packaging Journal, 2020, 12(2): 64-70.

[9] WU F, CHEN N, CHEN R J, et al. Self-Regulative Nanogelator Solid Electrolyte: A New Option to Improve the Safety of Lithium Battery[J]. Advanced Science, 2016, 3(1): 1500306.

[10] 田野, 羅榮超, 廖昌宇, 等. 仿生蛛網結構有機硅膠緩沖墊緩沖性能[J]. 包裝工程, 2022, 43(3): 155-160.

TIAN Y, LUO R C, LIAO C Y, et al. Cushioning Performance of Biomimetic Cobweb Silicone Cushion[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(3): 155-160.

[11] 廖昌宇. 仿生蛛網結構有機硅膠緩沖墊緩沖性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱商業大學, 2021: 10-20.

LIAO C Y. Study on Cushioning Performance of Biomimetic Spider Web Structure Organic Silicone Cushion[D]. Harbin: Harbin University of Commerce, 2021: 10-20.

[12] 趙旭東, 黃玉軍, 陳劍平, 等. 航空鋰電池特殊運輸裝備現狀及其適航要求[J]. 物流科技, 2022, 45(15): 51-53.

ZHAO X D, HUANG Y J, CHEN J P, et al. Current Situation and Airworthiness Requirements of Aviation Lithium Battery Special Transport Equipment[J]. Logistics Sci-Tech, 2022, 45(15): 51-53.

[13] 羅薇, 張春龍, 吉海龍, 等. 船舶載運鋰電池柜式儲能系統安全運輸條件分析及建議[J]. 中國海事, 2022(8): 18-21.

LUO W, ZHANG C L, JI H L, et al. Analysis and Suggestions on Safe Shipping Conditions of Lithium Battery as Energy Storage Cabinet on Ships[J]. China Maritime Safety, 2022(8): 18-21.

[14] HAREANCZ F, SINKA T. Investigation of Nickel Coated Steel Tapes Welded Joints[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2022, 1246(1): 12-33.

[15] ELZOHRY A M, KHORSHED L A, ADEl A. Chemical, Electrochemical and Corrosive Wear Behavior of Nickel-plated Steel and Brass-Plated Steel Based Coins from Egypt in Artificial Sweat[J]. International Journal of Electrochemical Science, 2021, 16(8): 1-16.

[16] 劉奉英, 余琨, 彭朋飛, 等. 沖孔鍍鎳鋼帶拉伸性能的模擬與實驗研究[J]. 功能材料, 2017, 48(11): 11108-11112.

LIU F Y, YU K, PENG P F, et al. Simulation and Experimental Investigation on the Tensile Properties of Nickel-Plated Punched Steel Strips[J]. Journal of Functional Materials, 2017, 48(11): 11108-11112.

[17] ONG T C, SARVGHAD M, LIPPIATT K. Investigation of the Corrosion of Electro-Less Nickel-Plated Alloys in Molten Salt and Its Effect on Phase Change Properties for Energy Storage Applications[J]. Solar Energy, 2022, 236(1): 512-521.

[18] CAO B F, LI J Q, LIU C F. Defect Detection of Nickel Plated Punched Steel Strip Based on Improved Least Square Method[J]. Optik, 2020, 206: 164331.

[19] GUTIéRREZ M I J, SIERRA S M G, RAMíREZ C A G. Effect of Electrodeposition Parameters and Surface Pretreatment on the Electrochemical Hydrogen Production Using Nickel-Plated Stainless Steel Electrodes[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2021, 46(11): 7667-7675.

[20] 王成位. 公路運輸中紅酒瓶內襯結構緩沖特性分析與優化[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2022: 11-12.

WANG C W. Analysis and Optimization of Structural Buffer Characteristics of Wine Bottle Lining in Road Transportation[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2022: 11-12.

Design and Performance Analysis of Recyclable Silicone Gel Packaging for Lithium Battery

LIAO Changyu, TIAN Ye, WANG Desen

(College of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150000, China)

The work aims to design a structure of HL-1029 silicone gel wrapping lithium battery inside and cardboard box packaging outside to deal with the poor sealing of lithium battery packaging and the fact that the positive and negative poles are easy to be damaged in a wet environment. The thickness of the HL-1029 package was calculated based on the model and size of the lithium battery. A packaging model was established. And the stress patterns of the corrugated cardboard box, corrugated paper partition, HL-1029 package, and lithium battery under a stacking height of 3 500 mm and a drop height of 1 200 mm in a finite element environment were analyzed. At a stacking height of 3 500 mm and a drop height of 1 200 mm, the static stress and equivalent stress of the lithium battery was 0.03 MPa and 8.80 MPa, respectively. It was found that the static and equivalent stress on the lithium battery did not exceed the yield strength of the material. Based on the comprehensive finite element analysis results, the HL-1029 package can provide sufficient protection for the transportation of lithium batteries and has exceptionally high recyclability. The research can offer research ideas for the sealing packaging of lithium batteries and precision electronic components.

lithium battery; silicone gel; drop simulation

TB482.2；TB485.1；TB485.5

A

1001-3563(2024)09-0218-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.09.028

2023-07-11

國家自然科學基金（41772387）；黑龍江省自然科學基金（LH2020E027）；哈爾濱商業大學青年創新人才支持項目（2019CX04）