中大密電池極柱“爬酸”分析與改善對策

李培德

（福建閩華電源股份有限公司，福建 安溪 362442）

0 引言

鉛酸電池廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各方面，特別中大密電池在短期內(nèi)還較難被替代。中大密電池在使用過程中偶爾會出現(xiàn)極柱“爬酸”現(xiàn)象。極柱“爬酸”會縮短電池的使用壽命[1]，甚至腐蝕原器件或設(shè)備，因此分析其發(fā)生的原因，并進(jìn)行改善的工作不可忽視。

1 電池極柱“爬酸”的分析

1.1 組裝電池上蓋的工藝流程

首先，進(jìn)行單體焊接，并焊上極柱，焊好單體后串聯(lián)連接。其次，在極柱上放海棉墊，海棉墊的作用是在電池蓋密封后防止注密封膠（底膠）時漏膠（圖 1a）；其三，對電池蓋注膠、密封固化后，校正極柱上密封圈（圖 1b）；其四，注密封膠，要求配制好的密封膠在 15 min 內(nèi)需完成作業(yè)，且保證密封膠與極柱接觸的高度不少于極柱孔內(nèi)部有效空間高度的 2/3（圖 1c）；其五，電池底膠完成固化后，注色膠（圖 1d）。其簡化的生產(chǎn)工藝流程如下：焊端子→放海棉墊→上密封圈→注底膠→注色膠（見圖1）。

1.2 “爬酸”相關(guān)的主要部件之一——極柱

極柱是由電鍍的 B 型端子頭基體（見圖 2a），按生產(chǎn)工藝要求的規(guī)格尺寸，先沾焊錫，再放在模具上，用鉛液澆鑄而成的（見圖 2b）。工藝要求，生產(chǎn)過程中應(yīng)控制模具的溫度在 150～200 ℃，爐溫在 420～430 ℃。

1.3 “爬酸”相關(guān)的主要部件之二——密封膠

現(xiàn)在，ABS 電池殼體使用的密封膠為環(huán)氧樹脂，可分為聚脂類和酚胺類。判定密封膠的粘接性能主要有 2 個指標(biāo)：硬度和粘接強(qiáng)度。一般，要求密封膠的硬度 ≥ 70 度（采用邵氏硬度儀），而粘接強(qiáng)度 ≥ 6 MPa（采用拉伸機(jī)實驗）。通常，粘接強(qiáng)度 ≥8 MPa 的更好。

圖1 電池封蓋工藝流程圖

圖2 極柱

1.4 電池極柱“爬酸”的現(xiàn)象

對客戶退返的電池進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)存在以下現(xiàn)象：第一，電池極柱“爬酸”發(fā)生的過程緩慢，基本上電池的使用時間有 1 a 甚至更長；第二，絕大多數(shù)“爬酸”現(xiàn)象發(fā)生在電池的負(fù)極 (見圖 3)；其三，電池內(nèi)部酸液順著電池極柱與密封膠的接觸面的間隙“爬酸”(圖 4)。

1.5 電池工作機(jī)理及極柱密封原理

鉛酸蓄電池由正極板、負(fù)極板、隔板、電解液、塑料糟等組成。鉛酸蓄電池放電后，正極板的活性物質(zhì)二氧化鉛（PbO2）轉(zhuǎn)化成硫酸鉛（PbSO4），負(fù)極活性物質(zhì)鉛（Pb）也轉(zhuǎn)化成PbSO4，即發(fā)生如下反應(yīng)：

正極反應(yīng) PbO2+3H++HSO4-+2e-=PbSO4+2H2O；

負(fù)極反應(yīng) Pb+HSO4-=PbSO4+H++2e-；

總反應(yīng) PbO2+Pb+2H2SO4= PbSO4+2H2O。

圖3 負(fù)極極柱腐蝕

圖4 發(fā)生“爬酸”極柱的解剖圖

極柱上也發(fā)生相似的反應(yīng)。正板柱表面被稀酸潤濕的部分，PbO 與酸反應(yīng)生成 PbSO4，充電后，生成 PbO2，放電后生成 PbSO4。正板柱與塑料之間的間隙是由酸逐漸浸潤形成的，極柱表面遇酸部分由最初的 PbO，變成 PbSO4或 PbO2，分子的摩爾體積增大[2]，極柱表面間隙減小，致使正極柱“爬酸”受阻。負(fù)極柱表面原始層是 PbO，最初與酸反應(yīng)形成 PbSO4，充電時生成 Pb，放電時生成 PbSO4，充電后分子的摩爾體積減小，極柱與塑料之間縫隙變大，加速酸的滲透，逐漸腐蝕，所以“爬酸”現(xiàn)象絕大多數(shù)發(fā)生在電池的負(fù)極柱上。

2 電池極柱“爬酸”的影響因素及改善措施

2.1 電池極柱“爬酸”的內(nèi)在影響因素及改善措施

通過電池工作原理結(jié)合工廠生產(chǎn)狀況和售后服務(wù)（包括客戶退返電池的解剖分析），總結(jié)出極柱“爬酸”內(nèi)在因素有：① 生產(chǎn)過程中工人的操作水平；② 極柱表面的氧化層；③ 密封膠的粘接性能；④ 極柱的工藝水平；⑤ 電池本身存在固有特性。針對這些影響因素，提出如下改善措施：

（1）針對生產(chǎn)過程中工人的操作水平，加強(qiáng)對員工的培訓(xùn)，使其確保端子的密封，使密封膠不“漏膠”，保證密封膠與端子接觸的高度（不少于端子孔內(nèi)部有效空間高度的三分之二，如圖 5 和圖6 所示）。

圖5 端子孔的有效空間

圖6 注膠后有效高度

（2）加強(qiáng)極柱表面氧化層的時效控制。極柱在被制成后應(yīng)及時加以使用，保證鉛層表面不被氧化得失去光澤（發(fā)黑），表面氧化不影響密封膠與端子表面金屬的粘接性能。圖 7 為庫存時間較短的端子；圖 8 為庫存時間較長的端子。

（3）將采用的密封膠粘接強(qiáng)度控制在 8 MPa以上。

圖7 制作完成的表面有光澤的端子

圖8 庫存時間較長的表面被氧化的端子

（4）對于電池極柱的改進(jìn)，可在極柱表面冼一個“槽”形臺階，用來延長極柱的“爬酸”路徑和增加極柱與密封膠粘接性能（見圖 9 和圖 10）。其操作與工藝要求是：確保極柱的熔融包覆鑄件與端子基體同心，以保證鑄件在冼“槽”時的一致性，即冼出槽的深度一致；將冼“槽”位置控制在密封圈以上，極柱與鉛熔鑄處 5 mm 以下。也可在設(shè)計極柱模具時直接設(shè)計出“槽”形臺階（見圖11）。此方式對生產(chǎn)操作要求較高，且要求模具位置合理。如果采用壓鑄方式生產(chǎn)極柱，采用此方式效果更好。

圖9 改善前的極柱

圖10 改善后的極柱

圖11 某一型號極柱的設(shè)計圖

2.2 電池極柱“爬酸”的外在影響因素及改善措施

極柱“爬酸”的外在影響因素主要有安裝過程的規(guī)范水平和電池使用的工作環(huán)境。對此，在安裝過程中，上螺絲時，對扭矩控制要適當(dāng)。最好在恒常溫工作環(huán)境中使用電池。如果在戶外使用，應(yīng)盡可能避免陽光直射，也可采用有引線的電池（見圖 12）。

圖12 有引線的電池

3 實驗驗證

采取上述改進(jìn)措施后，按 GB/T 19638.2—2005中第 7.24 條[3]，結(jié)合電池高溫浮充試驗條件進(jìn)行 2個循環(huán)的實驗。實驗條件與方法：① 電池在常溫下以 0.25C10放至 10.50 V，記錄放電時間，再以恒壓 13.8 V/只、限流 0.15C10充電 10 h；② 將電池放置于（45±2）℃ 恒溫箱中，以恒壓 13.80 V/只、限流 0.2C10進(jìn)行浮充充電 30 d（30 d 為 1 個循環(huán)）；③ 每做1個循環(huán)后，重復(fù)①的操作（需判定電池的容量），然后電池繼續(xù)在恒溫（45±2）℃條件下進(jìn)行下 1 個循環(huán)試驗。另外，要說明的是在此條件1 個循環(huán)等同在正常條件下 1 a 時間。進(jìn)行 2 個循環(huán)實驗驗證后，解剖發(fā)現(xiàn)：極柱表面有光澤，沒有出現(xiàn)“爬酸”的現(xiàn)象（見圖 13）。

圖13 實驗后極柱的解剖圖

4 結(jié)論

通過對電池極柱的改進(jìn)，加上對極柱表面時效的控制[4]、制造過程中員工操作水平的提高、密封膠的粘接性能的提高，能有效抑制中大密電池在使用過程中的極柱“爬酸”現(xiàn)象。