一種鉛蓄電池用高可靠性端子密封結(jié)構(gòu)的研究

張旭東，王麗齋，張利芳

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

0 引言

在閥控蓄電池設(shè)計中，極柱的密封對保證電池的密封性能和可靠性操作是一重要措施[1]。在閥控電池眾多的失效模式中，極柱的腐蝕和漏液、漏氣一直是困擾著許多蓄電池廠家的問題。如果端子密封性能不好，鉛酸蓄電池在長期浮充電和大功率放電時，會出現(xiàn)端子爬酸現(xiàn)象，造成蓄電池漏液、電池水耗加劇、容量下降等諸多安全隱患。為了保證可靠地端子密封性能，國內(nèi)外知名蓄電池都采用了各具特色的極柱密封結(jié)構(gòu)，如 Hawer 的機械密封結(jié)構(gòu)、East Penn 的 Epox-ZTM 環(huán)氧膠封結(jié)構(gòu)、C&D的硫化橡膠結(jié)構(gòu)、FIAMM 和 Yuasa 的橡膠密封圈-膠粘劑組合結(jié)構(gòu)、AT&T Bell 2000 圓形電池的橡膠套-環(huán)氧膠粘劑組合結(jié)構(gòu)，及國內(nèi)大密蓄電池中常見的鉛套-環(huán)氧膠粘劑組合結(jié)構(gòu)[2]。現(xiàn)有端極柱密封結(jié)構(gòu)是在蓄電池蓋與端極柱間安放橡膠 O 型密封圈，然后環(huán)繞端極柱澆注環(huán)氧樹脂達到密封效果。對于這種結(jié)構(gòu)，在蓄電池長期使用過程中，電解液容易順著鉛極柱蔓延，爬到銅芯，腐蝕端子，造成電池漏液；而且，環(huán)氧樹脂容易因 O 型密封圈放置不到位而漏入蓄電池內(nèi)部，影響電池性能。由此可見，對鉛酸蓄電池用端極柱密封性能的研究至關(guān)重要。

1 RTV 硅橡膠的選擇

1.1 RTV 硅橡膠簡介

RTV 硅膠又被稱為室溫硫化型硅橡膠，常作為粘接、密封、絕緣、防潮、防震材料，被廣泛應(yīng)用于電子元件、半導(dǎo)體材料和電子電器等設(shè)備的粘接、密封，電加熱器和電子儀表的防水、密封，及電子元件的灌封。RTV 硅膠固化物無毒，無污染，無腐蝕，具有良好電絕緣和抗電弧性能，適用于-60～200 ℃ 工作溫度。

1.2 RTV 硅橡膠耐酸測試

在 RTV 硅膠出廠前，技術(shù)檢測人員會對其粘度、表干時間、固化時間、剪切強度、硬度等性能指標(biāo)進行測試，以保證 RTV 硅橡膠的質(zhì)量?？紤]到 RTV 硅橡膠在鉛酸蓄電池中長期處于極端惡劣的強酸環(huán)境中：在電池制造過程中（灌酸化成工序）有 24～72 h 浸泡在 1.2～1.3 g/cm3硫酸溶液中；在使用過程中一直處于硫酸氣氛中。RTV 硅橡膠在鉛酸蓄電池中的作用，是在鉛合金和 ABS 樹脂之間形成彈性密封層，防止單格內(nèi)部酸液沿極柱向上爬升。因此，RTV 硅橡膠必須具有一定的強度和硬度，并且與鉛合金有良好的粘接性能，使用中能夠承受酸性介質(zhì)長期的腐蝕，而且性能不發(fā)生較大的變化[3]。

首先，將 6 種 RTV 硅橡膠分別均勻地涂抹到鉛極柱的表面，且保持涂抹厚度一致，在 1～2 mm之間；接著，將鉛極柱在空氣中放置 3 h；然后，將鉛極柱放到密度為 1.275 g/cm3的硫酸電解液中浸泡，并在高溫 60 ℃ 環(huán)境中靜置 3 d。觀察 RTV硅橡膠的膠體形態(tài)，以及 RTV 硅橡膠與鉛合金的粘接性。

表1 為 6 種 RTV 硅橡膠實驗之后的結(jié)果。從表 1 中可以看出：鑫威公司產(chǎn)型號為 386 和漢高樂泰公司產(chǎn)型號為 596 的 RTV 硅橡膠與鉛極柱脫離，其外觀呈現(xiàn)渣狀，說明這 2 種 RTV 硅橡膠不耐酸，且在硫酸電解液中與鉛粘接性較差；同樣地，美國 CRC 公司產(chǎn)型號為 14055 的和北京 ZKTM 的 RTV 硅橡膠耐酸性良好，但與鉛極柱粘接性不夠。由于以上 4 種 RTV 硅橡膠都不滿足使用條件，因此最終選擇回天新材公司產(chǎn)型號為7587E 和溧陽天禧公司產(chǎn)型號為 TX-508 的 RTV 硅橡膠進行下一步試驗。

表1 6 種 RTV 硅橡膠的外觀及其浸酸結(jié)果

2 電池試制及耐高低溫性能測試

2.1 端子密封結(jié)構(gòu)

圖1 所示端子密封結(jié)構(gòu)由三元乙丙橡膠圈、R TV 硅橡膠、蓄電池蓋、銅芯端子、環(huán)氧樹脂和銅螺母組成。具體操作要求為：① 將 RTV 硅橡膠均勻地涂抹在銅芯端子的鉛座上；② 在 3～5 min 之內(nèi)，將三元乙丙橡膠圈套在銅芯鉛極柱上，并且扣上蓄電池蓋；③ 將銅螺母擰到銅芯端子上，然后壓緊蓄電池蓋。這樣，RTV 硅橡膠、鉛合金極柱、三元乙丙橡膠圈和蓄電池蓋之間的相互結(jié)合，就形成了一層密封結(jié)構(gòu)。此密封結(jié)構(gòu)利用了 RTV 硅橡膠的廣泛粘接力、RTV 硅橡膠和三元乙丙橡膠的高彈性，以及起壓縮緊固作用的銅螺母，實現(xiàn)了鉛合金極柱和蓄電池蓋的緊密粘接，從而達到了密封的效果。

待槽蓋膠固化后，在鉛合金極柱和蓄電池殼體之間，采用環(huán)氧樹脂進行二次密封。二次密封結(jié)構(gòu)為目前大多數(shù)蓄電池廠家采用的常規(guī)端子密封設(shè)計，主要是通過 O 型圈、端極柱和極柱孔的過盈配合達到密封效果。

圖1 端子密封結(jié)構(gòu)

2.2 電池試制

本次共試制 4 只 2 V 100 Ah 樣品電池。在其中2 只電池的端子鉛座上涂抹回天新材 7587E 硅橡膠進行密封，另 2 只電池的端子鉛座上涂抹溧陽天禧TX-508 硅橡膠進行密封。其它工藝按照 2 V 100 Ah電池正常工藝實施。待電池下線以后，做進一步試驗驗證。

2.3 耐高低溫測試

閥控式鉛酸蓄電池主要在浮充狀態(tài)下使用，因此模擬蓄電池使用條件對端子密封可靠性驗證是一個必要的條件[4]。在驗證蓄電池壽命時，用高低溫循環(huán)試驗來檢測在鉛酸蓄電池受到冷熱沖擊的情況下端子密封膠的性能[5]。具體操作要求如下：下線后，將 4 只樣品電池串聯(lián)放置在高低溫試驗箱里，同時連接在恒流充電設(shè)備上，以恒流 2.475 A 充電。每 24 h 作為一個循環(huán)，端子上部有酸液溢出，pH 試紙呈現(xiàn)紅色時試驗終止。按圖 2 具體方式循環(huán) 10 次后，檢查蓄電池正負(fù)極端子是否有漏液現(xiàn)象，采用 pH 試紙進行檢測。如果沒有出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，再按以上方法循環(huán) 8 次，然后檢查是否有漏液現(xiàn)象。同時，要注意觀察電池的外觀，觀察是否有鼓脹現(xiàn)象。試驗完成后，蓄電池正負(fù)極端子完好，蓄電池外觀無膨脹現(xiàn)象。

圖2 耐高低溫測試程序

2.4 電池解剖

耐高低溫測試終止時，蓄電池外觀無鼓脹現(xiàn)象。對試驗電池進行解剖，觀察蓄電池的端子結(jié)構(gòu)（見圖 3）。鉛合金極柱部分金屬色澤光亮，沒有酸液爬過的痕跡。正負(fù)極端子部分完好，無腐蝕。采用 pH 試紙檢測時，pH 試紙無變色。

圖3 端子解剖圖

3 結(jié)論

本文中所述這種高可靠性端極柱密封結(jié)構(gòu)，通過雙重密封避免了蓄電池在長期使用中爬酸，有效提高了蓄電池的可靠性和安全性。同時，這種結(jié)構(gòu)耐機械作用力強，能有效承受電池安裝過程中外力對端極柱的沖擊，及充放電過程中因正極板脹大對正極端極柱的擠壓?；靥煨虏?7587E 和溧陽天禧TX-508 RTV 硅橡膠耐酸，耐高低溫，耐老化，與鉛合金極柱的粘接性能良好，在這種蓄電池端極柱密封結(jié)構(gòu)中可以有效地起到密封劑的作用，杜絕端子漏酸。

[1] 王振和. 鉛酸蓄電池的制造與使用[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2010.

[2] 賀勤. 鉛酸蓄電池極柱的密封結(jié)構(gòu)[J]. 電源技術(shù),2003(3)：290-292.

[3] 徐宇, 徐澤明, 毛曉明. 耐酸 RTV 硅橡膠密封劑的研制[J]. 有機硅材料, 2001, 15(4)：20-21.

[4] 王常波, 孟令輝, 潘燕貴, 等. 關(guān)于閥控鉛酸蓄電池端子密封膠的幾個重要指標(biāo)[J]. 蓄電池,2008(3)：124-125.

[5] 黨志敏, 劉桃松. 鉛酸蓄電池用極柱端子膠的性能測試及應(yīng)用[J]. 蓄電池, 2014(5)：211-214.