PP塑料用于VRLA蓄電池殼的缺點(diǎn)及改善措施

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）

0 引言

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。

1 PP 材料用于 VRLA 蓄電池殼存在的缺點(diǎn)

1.1 電池殼易變形

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。

1.2 端子的密封性差

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

2 改善方案

2.1 改善強(qiáng)度小易變形

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

2.2 改善端子頭密封方式

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

3 結(jié)論

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。