湯序鋒,項本申,洪清富,方明學(xué),高根芳
(天能電池集團(tuán)有限公司技術(shù)中心,浙江 長興 313100)
目前,VRLA 電池殼[1]一般采用 ABS 或 PP 材料。ABS 材料(即丙烯睛、丁乙烯、苯乙烯的共聚物)的強(qiáng)度大,熱變形溫度高,電阻系數(shù)大,但水汽泄漏嚴(yán)重(約為 PP 材料的 5 倍以上),氧氣泄漏程度也高于 PP 材料[2](約為 PP 材料的 1.4 倍)。由 PP 材料(即聚丙烯或其聚合物)制成的蓄電池殼具有較好的水汽、氧氣保持性能,但強(qiáng)度較小,容易變形。由于 PP 材料具有良好的熱封性能[3],能實現(xiàn)電池組裝線的全自動作業(yè),故被大量用于汽車起動電池。與 ABS 材料對比,PP 材料具有價格優(yōu)勢,另兼有較少失水量,良好塑性性能。國外的VRLA 電池廠,如 Exide、GNB、C&D、CSB 等,有很多產(chǎn)品采用 PP 材料。由于存在 PP 材料強(qiáng)度小,易變形,端子密封性差[4]等方面的技術(shù)問題需要解決,國內(nèi)的 VRLA 電池廠一般采用 ABS 材料[5],用 PP 材料的相對較少。本文中,針對 PP 材料應(yīng)用于 VRLA 蓄電池殼的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),提出了解決方案和實例。
VRLA 電池要求緊裝配,而且由于安全閥的作用,在充電時電池內(nèi)部會維持約 0.2~0.4 kPa 的空氣壓力,因此蓄電池殼要具有一定的強(qiáng)度、盡可能少的變形量。而普通 PP 材料與 ABS 料相比,強(qiáng)度較小,易變形。塑料電池殼變形量大會影響到蓄電池在設(shè)備機(jī)柜中的安裝使用。
目前,對應(yīng)用 PP 材料的蓄電池殼,端子密封主要有 2 種方式:僅用密封環(huán)的密封方式、密封環(huán)+環(huán)氧樹脂的密封方式。
1.2.1 僅用密封環(huán)的密封方式
僅用密封環(huán)的密封方式就是在端子頭上放置若干個環(huán)(俗稱密封環(huán))。端子頭與電池蓋一起射出成型,電池組裝后把端子與端子頭焊接在一起(一般采用火焰焊接,高級的使用亞弧焊)。由于密封環(huán)與電池蓋只是接觸,而非粘接在一起,因此它們之間會存在間隙。經(jīng)過一段使用時間后,電池內(nèi)部酸氣會逐漸爬出。業(yè)界一般的做法是,盡量增加密封環(huán)的數(shù)量以延長爬酸距離,使電池在壽命終止時酸氣仍然無法爬出,如圖 1 所示。
圖1 僅用密封環(huán)的密封方式
以某只某品牌 UPS12-370FR 蓄電池為例,其電池殼為 PP 材料的,其端子僅用密封環(huán)的密封方式。經(jīng)過高溫 60 ℃ 浮充 2 個月后,解剖發(fā)現(xiàn):在密封環(huán)處,溴酚藍(lán)指示劑變黃色,說明可測到硫酸:最上面與最下面的密封環(huán)均已變成黑色,而中間 2 個密封環(huán)沒有變色,說明密封環(huán)與中蓋間可能有極微小的間隙,存在氧氣或酸、氧侵入,導(dǎo)致密封環(huán)逐漸被氧化(見圖 2)。
圖2 僅用密封環(huán)方式發(fā)生漏酸
從上面的分析中可看出,依靠密封環(huán)是無法阻止端子頭處的爬酸現(xiàn)象,只能是推遲爬酸的時間而己,因此這種密封方式并不是十分的妥當(dāng)。
1.2.2 密封環(huán)+環(huán)氧樹脂的密封方式
對于采用密封環(huán)+環(huán)氧樹脂的密封方式,不但在端子頭上設(shè)置若干個密封環(huán),而且于端子頭與電池蓋一起射出成型時在密封環(huán)上部形成一凹槽,再在凹槽中加入環(huán)氧樹脂形成第 2 道密封(見圖3)。由于 PP 材料本身的特性,環(huán)氧樹脂無法與 PP粘接在一起,只是緊密地接觸。如果受到外力,例如端子頭受到撞擊,電池壽命末期板柵膨脹產(chǎn)生應(yīng)力等,可能會使環(huán)氧樹脂與 PP 接合處產(chǎn)生間隙,從而導(dǎo)致爬酸。
圖3 采用密封環(huán)+環(huán)氧樹脂的密封方式
以采用這種密封結(jié)構(gòu)儲能 12 V /55 Ah 蓄電池為例,在高溫 60 ℃ 環(huán)境下浮充 6.5個月(相當(dāng)于常溫壽命 6.5 a)后,電池端子處無爬酸現(xiàn)象,但透過紅膠可看到里面的端子頭已變黑(PbSO4),敲開紅膠后可測到硫酸,解剖端子頭后也可從密封環(huán)處測到硫酸(見圖 4)。這證明,雖然環(huán)氧樹脂與 PP 的粘接性不好,但是由于兩者緊密接觸,仍能起阻止爬酸的作用。
圖4 采用密封環(huán)+環(huán)氧樹脂的密封方式時無漏酸情況
針對普通 PP 材料強(qiáng)度小,易變形的特性,提出 2 種改善方案: 一是通過改性,增加 PP 材料的強(qiáng)度;二是增加電池槽壁的厚度,尤其是極群壓縮面的電池槽壁更要加厚,必要時可增加加強(qiáng)筋。例如圖 5 中 12 V/155 Ah 備用電池,壓縮面的槽壁厚3.8 mm,外壁有橫豎交錯厚達(dá) 1.7 mm 的加強(qiáng)筋,可確保電池殼的強(qiáng)度達(dá)到要求。
圖5 有加強(qiáng)筋的電池槽壁
采用改性后 PP 材料制成蓄電池殼,測得變形量見表 1。變形量測試方法:使用空電槽蓋,進(jìn)行完全密封(只留 1 個進(jìn)氣孔,槽隔間打通),密封后再分別通入不同 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 kgf/cm2的空氣壓力,用游標(biāo)卡尺測量電池槽的寬度,取最大值。
表1 不同 PP 材料電池槽變形量 mm
改善端子頭密封方式有 2 種:一種是增加端子頭密封環(huán),延長爬酸路徑;另一種是注塑前在電池端子頭外表層涂上一層增塑劑,作為媒介,增加密封環(huán)與 PP 的接著性能。
針對 PP 材料電池殼的端子產(chǎn)生爬酸的主要原因之一,即 PP 材料電池蓋無法與端子圓鉛頭緊密結(jié)合,改善對策是在端子圓鉛頭待注塑區(qū)域預(yù)先涂覆增塑劑,然后才將端子圓鉛頭和 PP 電池蓋整體射出。為了驗證改善后的效果,進(jìn)行電池在 60 ℃環(huán)境下加速電解法的模擬實驗。仿真實驗裝置如圖6 所示。電池蓋只留端子圓鉛頭跟端子閥座部分作為試驗樣品,用鉛條焊接串聯(lián)在一起,放進(jìn)盛有密度為 1.335 g/mL(20 ℃)硫酸電解液的容器中,使電解液液面沒過鉛端子底部。接上充電電源,在 60 ℃下以 0.15 A 充電 72 h。實驗條件與結(jié)果見表 2。
圖6 60 ℃ 加速電解法的仿真實驗裝置
表2 端子圓鉛頭與 PP 料電池蓋結(jié)合情況的實驗結(jié)果
如果能妥善處理電池殼的強(qiáng)度問題、電槽與電池蓋的密封問題、端子頭的密封問題,憑著價格優(yōu)勢,良好的水汽、氧氣保持性能,PP 材料應(yīng)用在VRLA 蓄電池殼也是一大選擇。
增加端子頭密封環(huán),延長爬酸路徑,和注塑前在端子頭外表層涂上一層增塑劑,增加密封環(huán)與PP 材料的接著性能,這些措施都能大大改善端子頭密封問題。另外,關(guān)注其它一些電池制造細(xì)節(jié),如嚴(yán)格控制電池端子頭鑄造、電池蓋鑄塑射出工藝,確保端子頭的密封環(huán)成形良好,電池蓋注塑飽滿,才能最大限度地降低端子爬酸的可能。