小型閥控式鉛酸蓄電池端子爬酸與過程控制研究

馬永濤，王寧，李猛，牛道祥，肖峰，王軍

（安徽力普拉斯電源技術有限公司，安徽 淮北 235100）

0 引言

小型閥控式鉛酸蓄電池多應用于應急燈照明系統(tǒng)、便攜式儀器、玩具車、電動工具等。隨著小型閥控式鉛酸蓄電池的廣泛應用，客戶對其端子的密封性能要求更加苛刻。筆者通過對小型閥控式鉛酸蓄電池端子密封結構和爬酸機理的研究，從結構設計及制造過程逐層分析產(chǎn)生端子爬酸的原因，提出了對應的控制方法，達到提高產(chǎn)品品質的目的。

1 端子爬酸產(chǎn)生機理

小型閥控式鉛酸蓄電池的端子爬酸是指，采用極柱與 O 形圈及環(huán)氧樹脂膠密封結構的電池，由于設計或在生產(chǎn)、使用過程中因為密封存在問題，經(jīng)過充放電之后，在電池內部氣壓作用下，有電解液從極柱密封處沿著極柱不斷往上爬出，最終沿著端子與環(huán)氧樹脂膠結合位置滲出，產(chǎn)生漏液的現(xiàn)象[1]。如圖 1 所示，端子爬酸就是電解液沿著極柱，往上爬越過 O 形圈及環(huán)氧樹脂膠，最終沿著端子滲透到端子外，產(chǎn)生漏液問題。

圖1 小型閥控式密封鉛酸蓄電池端子結構示意圖

根據(jù)鉛酸蓄電池雙極硫酸鹽化理論，在放電過程中正極由 PbO2轉化為 PbSO4，同時負極由 Pb 轉化為 PbSO4，而在充電過程中，正極由 PbSO4轉化為 PbO2，同時負極由 PbSO4轉化為 Pb[2]。充放電的過程中，在蓄電池的正、負極，由于反應前后生成的產(chǎn)物不同，物質的體積發(fā)生了變化。由表 1 中正負極物質的密度可知[3]，隨著產(chǎn)物密度的增大，體積減小。負極上 Pb—PbSO4—Pb 轉變的過程中，負極體積在放電時由小變大，充電時又由大變小，前后體積變化很大，所以鉛酸蓄電池的負極端子更容易發(fā)生爬酸。相對負極來說，正極的體積變化小一些，產(chǎn)生端子爬酸的風險也小。

表1 正、負極物質的密度

2 結構設計導致端子爬酸的因素及控制方法

2.1 極柱尺寸的設計

鉛酸蓄電池的極柱主要起將電池內部與外部連接的作用（參見圖 1）。極柱的直徑根據(jù)設計的電池可承載最大電流先被確定下來，一般按照5 A/mm2最大承載電流核算。極柱的形狀主要為圓柱或圓臺形。采用燒焊的電池主要采用圓柱形極柱，只在極柱頭部做一定的倒角。采用鑄焊的電池極柱，為了便于脫模一般設計為圓臺形，而且極柱斜度的角度以不大于 6°為宜。這樣既能保證順利脫模，又能避免出現(xiàn)塞 O 形圈時 O 形圈容易被擠壓翹起等密封不良現(xiàn)象。

極柱的高度取決于極柱與端子的配合。端子底部設計有預留極柱穿出的孔。極柱的高度需確保極柱頭部穿出端子孔，且以露出端子孔平面 1～3 mm為宜。如果極柱露出太少或未漏出，焊接極柱與端子時就需要多加錫。焊錫多容易堵塞極柱孔，而且端子也容易出現(xiàn)虛假焊。極柱露出太多不僅浪費成本，而且也會產(chǎn)生焊接鉛量多堵塞極柱孔的問題。

2.2 極柱與極柱孔及端子孔的配合設計

極柱的尺寸設計好之后，要確定極柱與 ABS電池蓋極柱孔及極柱與端子孔的配合。

對于極柱與電池蓋極柱孔的配合，應根據(jù)極柱的直徑，讓極柱孔直徑比極柱直徑大 0.7～0.9 mm（一般取下限值）。如果極柱與電池蓋極柱孔之間的間隙過大，而 O 形圈密封不住，滴加環(huán)氧樹脂膠時就會漏膠，同時增加端子爬酸的風險。如果設計間隙過小，封蓋時電池蓋與極柱很容易產(chǎn)生干涉，既不便于封蓋，又容易將極柱表面刮傷或將極柱壓變形，同樣會增加端子爬酸的風險。

對于極柱與端子孔的尺寸配合，根據(jù)極柱頭部需要穿出端子孔表面 1～3 mm 的設計要求，端子孔的直徑應依據(jù)極柱與端子孔表面平齊位置的極柱直徑來設計。一般設計端子孔直徑比與端子孔表面平齊位置的極柱直徑大 0.4～0.6 mm。如果設計間隙過大，焊接時就會嚴重漏錫，堵塞端子下部極柱孔的空隙。如果設計間隙過小，端子與極柱配合要求極高，極柱的位置需要十分精確，就會大大增加生產(chǎn)制造過程控制的難度[4]。

2.3 極柱與 O 形圈的配合設計

極柱與 O 形圈的配合設計是端子密封的關鍵[5]。O 形圈材質目前多是三元乙丙橡膠。三元乙丙橡膠由于具有高拉伸強度，低形變和良好的耐熱、耐酸堿性，而廣泛用于密封用途。極柱與 O 形圈的配合需要從 O 形圈內徑與截面直徑為綜合考慮。小型閥控式鉛酸蓄電池根據(jù)生產(chǎn)需要一般選用截面直徑2.5～3.5 mm 的 O 形圈。O 形圈的內徑與極柱直徑的配合關系，應根據(jù) O 形圈的內徑被擴張量的 1/2與 O 形圈原截面直徑的比值來衡量。將 O 形圈套到極柱上，極柱的直徑即 O 形圈被擴張后的內徑。此比值保持在 20 %～30 % 為宜，否則太大或太小都會影響 O 形圈的密封效果，容易產(chǎn)生端子爬酸。

2.4 O 形圈與 O 形圈槽的配合設計

O 型圈與 O 形圈槽的配合與 O 形圈的外徑密切相關。O 形圈的內徑、截面直徑確定后，外徑即等于內徑與兩倍截面直徑之和。O 形圈槽的直徑應根據(jù)擴張后 O 形圈被 O 形圈槽壓縮的量與擴張后 O形圈的截面直徑比值來確定。此比值保持在 30 %～40 % 為宜，否則太大或太小同樣會影響 O 形圈的密封效果，容易產(chǎn)生端子爬酸。

3 制造過程導致端子爬酸因素及控制方法

3.1 極柱質量的影響及控制

極柱的質量好壞對能否引起端子爬酸至關重要。用澆鑄的極柱燒焊時，要避免極柱上有氣孔、毛刺、缺損、氧化等問題。澆鑄極柱的質量比較好控制，可以通過對模具增加排氣槽、水冷卻管路及噴脫模劑等措施解決。同時，為了避免澆鑄好的極柱氧化，一般將使用時效控制在 3 d 以內為宜。

鑄焊的極柱質量問題是引起端子爬酸比較常見的因素。鑄焊過程中底模模腔內沾染有污垢，脫模不暢，或脫模劑噴涂過厚等，都會造成極柱表面有缺損或有紋路，不光滑，高度不夠或直徑偏小。這樣的極柱與 O 形圈配合不緊密，是導致端子爬酸的主要因素[6]。在鑄焊過程中對極柱質量的監(jiān)控至關重要，必須進行首件檢驗確認。生產(chǎn)時將前兩模作為空模，把模腔的極柱取出，測量極柱的尺寸并檢查成型狀況，確認合格再批量生產(chǎn)，并且定時監(jiān)控極柱的質量。測量的極柱直徑與設計尺寸會存在一定的偏差。根據(jù)經(jīng)驗總結，允許正偏差 0.1 mm，負偏差 0.2 mm。偏差不宜過大，否則影響后續(xù)操作，而且會加大端子爬酸的風險。

3.2 塞 O 形圈質量的影響及控制

電池封蓋后，需要在電池蓋的塞 O 形圈槽位置塞上 O 形圈以形成密封作用。塞 O 形圈的過程中必須確保將 O 形圈塞到位，不允許有 O 形圈翹起、破損、斷裂的情況，同時不能對極柱造成損傷。比較常見的塞 O 形圈的工具有氣動或電動的。使用的工具與 O 形圈接觸部位要光滑，不能太鋒利或有毛刺，否則很容易對 O 形圈造成損傷。一般塞好 O 形圈后就可以焊接端子，但是有些廠家為了進一步提高密封性，會在 O 形圈的表面薄薄地加一層極柱膠，然后再焊接端子。此操作經(jīng)過驗證的確可以提高密封性。

3.3 焊接端子質量的影響及控制

焊接端子質量的好壞是能否引起電池端子爬酸的一個重要的因素。端子焊接的好壞在排除人的因素后取決于端子與極柱的配合。如前文中所提到的，一方面是極柱與端子孔的間隙，另一方面是極柱頭部露出端子孔表面的高度。當間隙和高度符合要求時，焊接端子的焊點光滑、圓潤飽滿，添加的焊錫絲少，焊接時間短，很容易焊好；當間隙和高度不符合要求時，端子焊接的焊點粗糙，表面凹陷，漏錫，添加的焊錫也多，焊接時間長，比較難焊好，不但費時費力，而且質量也沒有保證。特別是，極柱與端子孔的間隙大造成焊接漏錫，最容易引起端子爬酸。因為焊接漏錫，錫液將端子孔下部與 O 形圈上部的空間填充，導致滴加的環(huán)氧樹脂膠無法完全覆蓋 O 形圈表面，使極柱的密封性大大降低，導致充放電過程中容易產(chǎn)生端子爬酸的問題。

3.4 環(huán)氧樹脂膠質量的影響及控制

環(huán)氧樹脂膠的作用主要是將極柱、端子及 ABS膠槽四周進行密封，同時標識出電池的正負極性。一般，有只使用色膠一種進行密封的，也有使用底膠和色膠兩種膠密封的，可以根據(jù)實際需要采用不同的方式。

使用環(huán)氧樹脂膠時必須保證配比的正確，否則會導致膠不固化，局部固化，或者即使固化但硬度低的問題，起不到密封作用。使用時采用稱重的方法確認配比，同時可以采用微波爐做快速膠樣，測試硬度。配好膠水后要在 15～20 min 可使用時間內用完，避免膠水發(fā)熱變質[7]。環(huán)氧樹脂膠要用 60 ℃高溫固化 1.5～2 h，不宜采用常溫自然固化。常溫自然固化的膠與高溫固化的膠成型不同：撬開常溫自然固化的膠，可發(fā)現(xiàn)內部多呈粉末狀，結合力差；而撬開高溫固化的膠水，可發(fā)現(xiàn)內部呈片狀，結合力非常好。膠水固化冷卻后硬度值要達到 80以上。另外，環(huán)氧樹脂膠水的剪切強度是一項重要的指標，一般要達到 4 N/mm2[8]。這樣的環(huán)氧樹脂膠與極柱、端子、ABS 的粘附性好，結合力強，可以大大降低端子爬酸的風險。

3.5 充放電連接件質量的影響及控制

小型閥控式鉛酸蓄電池生產(chǎn)過程中一般采用線夾或直接使用插拔式連接線連接充放電。線夾或者連接線的接頭材質對是否會引起端子爬酸的影響非常大。通常采用純銅（H62）或純銅表面鍍鎳材質的（這種導電性好），絕對不能使用鐵制或者不銹鋼材質的（此種材質連接件導電性差，內阻大，大電流放電過程中會導致端子根部發(fā)熱，損壞端子與O 形圈、環(huán)氧樹脂膠的結合面，破壞密封性，直接導致端子爬酸）。對充放電連接件可以采用 20 A 的電流放電 10 min 的方法進行檢驗。放電過程中，溫度不超過 60 ℃ 的連接件可以正常使用。連接件溫度越低說明其導電性越好，發(fā)熱少。對于溫度超過 60℃ 的連接件，之后溫度會急劇上升，很快達到 90 ℃ 以上。這時與端子接觸的環(huán)氧樹脂膠會被燒黑，密封結構被破壞，連不易爬酸的正極端子也會出現(xiàn)端子爬酸。

在使用過程中要定期檢查更換充放電連接件，并涂抹防銹油進行防腐，否則腐蝕的線夾、失去彈力的連接線接頭和線夾與電池端子連接后，在充放電過程中會因接觸不良，導致蓄電池端子發(fā)熱，破壞密封結構，最終也會產(chǎn)生端子爬酸問題。

4 總結

端子的密封性從電池開始組裝到最終做成成品，各個工序環(huán)環(huán)相扣，任一工序控制得不到位都會影響電池端子的密封性，導致電池在制造或使用過程中產(chǎn)生端子爬酸的問題。通過對小型閥控式鉛酸蓄電池極柱與 O 形圈、極柱與極柱孔、極柱與端子、O 形圈與 O 形圈槽各個部件結構的設計控制及對制造過程中控制要點的管控，可以大大降低端子爬酸的風險，使蓄電池的端子爬酸問題得到有效的控制和解決。