中大密电池极柱“爬酸”分析与改善对策

2018-10-19李培德

蓄电池 2018年5期

李培德

（福建闽华电源股份有限公司，福建安溪 362442）

0 引言

铅酸电池广泛应用于国民经济和人民生活的各方面，特别中大密电池在短期内还较难被替代。中大密电池在使用过程中偶尔会出现极柱“爬酸”现象。极柱“爬酸”会缩短电池的使用寿命[1]，甚至腐蚀原器件或设备，因此分析其发生的原因，并进行改善的工作不可忽视。

1 电池极柱“爬酸”的分析

1.1 组装电池上盖的工艺流程

首先，进行单体焊接，并焊上极柱，焊好单体后串联连接。其次，在极柱上放海棉垫，海棉垫的作用是在电池盖密封后防止注密封胶（底胶）时漏胶（图 1a）；其三，对电池盖注胶、密封固化后，校正极柱上密封圈（图 1b）；其四，注密封胶，要求配制好的密封胶在 15 min 内需完成作业，且保证密封胶与极柱接触的高度不少于极柱孔内部有效空间高度的 2/3（图 1c）；其五，电池底胶完成固化后，注色胶（图 1d）。其简化的生产工艺流程如下：焊端子→放海棉垫→上密封圈→注底胶→注色胶（见图1）。

1.2 “爬酸”相关的主要部件之一——极柱

极柱是由电镀的 B 型端子头基体（见图 2a），按生产工艺要求的规格尺寸，先沾焊锡，再放在模具上，用铅液浇铸而成的（见图 2b）。工艺要求，生产过程中应控制模具的温度在 150～200 ℃，炉温在 420～430 ℃。

1.3 “爬酸”相关的主要部件之二——密封胶

现在，ABS 电池壳体使用的密封胶为环氧树脂，可分为聚脂类和酚胺类。判定密封胶的粘接性能主要有 2 个指标：硬度和粘接强度。一般，要求密封胶的硬度 ≥ 70 度（采用邵氏硬度仪），而粘接强度 ≥ 6 MPa（采用拉伸机实验）。通常，粘接强度 ≥8 MPa 的更好。

图1 电池封盖工艺流程图

图2 极柱

1.4 电池极柱“爬酸”的现象

对客户退返的电池进行解剖，发现存在以下现象：第一，电池极柱“爬酸”发生的过程缓慢，基本上电池的使用时间有 1 a 甚至更长；第二，绝大多数“爬酸”现象发生在电池的负极 (见图 3)；其三，电池内部酸液顺着电池极柱与密封胶的接触面的间隙“爬酸”(图 4)。

1.5 电池工作机理及极柱密封原理

铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液、塑料糟等组成。铅酸蓄电池放电后，正极板的活性物质二氧化铅（PbO2）转化成硫酸铅（PbSO4），负极活性物质铅（Pb）也转化成PbSO4，即发生如下反应：

正极反应 PbO2+3H++HSO4-+2e-=PbSO4+2H2O；

负极反应 Pb+HSO4-=PbSO4+H++2e-；

总反应 PbO2+Pb+2H2SO4= PbSO4+2H2O。

图3 负极极柱腐蚀

图4 发生“爬酸”极柱的解剖图

极柱上也发生相似的反应。正板柱表面被稀酸润湿的部分，PbO 与酸反应生成 PbSO4，充电后，生成 PbO2，放电后生成 PbSO4。正板柱与塑料之间的间隙是由酸逐渐浸润形成的，极柱表面遇酸部分由最初的 PbO，变成 PbSO4或 PbO2，分子的摩尔体积增大[2]，极柱表面间隙减小，致使正极柱“爬酸”受阻。负极柱表面原始层是 PbO，最初与酸反应形成 PbSO4，充电时生成 Pb，放电时生成 PbSO4，充电后分子的摩尔体积减小，极柱与塑料之间缝隙变大，加速酸的渗透，逐渐腐蚀，所以“爬酸”现象绝大多数发生在电池的负极柱上。

2 电池极柱“爬酸”的影响因素及改善措施

2.1 电池极柱“爬酸”的内在影响因素及改善措施

通过电池工作原理结合工厂生产状况和售后服务（包括客户退返电池的解剖分析），总结出极柱“爬酸”内在因素有：① 生产过程中工人的操作水平；② 极柱表面的氧化层；③ 密封胶的粘接性能；④ 极柱的工艺水平；⑤ 电池本身存在固有特性。针对这些影响因素，提出如下改善措施：

（1）针对生产过程中工人的操作水平，加强对员工的培训，使其确保端子的密封，使密封胶不“漏胶”，保证密封胶与端子接触的高度（不少于端子孔内部有效空间高度的三分之二，如图 5 和图6 所示）。

图5 端子孔的有效空间

图6 注胶后有效高度

（2）加强极柱表面氧化层的时效控制。极柱在被制成后应及时加以使用，保证铅层表面不被氧化得失去光泽（发黑），表面氧化不影响密封胶与端子表面金属的粘接性能。图 7 为库存时间较短的端子；图 8 为库存时间较长的端子。

（3）将采用的密封胶粘接强度控制在 8 MPa以上。

图7 制作完成的表面有光泽的端子

图8 库存时间较长的表面被氧化的端子

（4）对于电池极柱的改进，可在极柱表面冼一个“槽”形台阶，用来延长极柱的“爬酸”路径和增加极柱与密封胶粘接性能（见图 9 和图 10）。其操作与工艺要求是：确保极柱的熔融包覆铸件与端子基体同心，以保证铸件在冼“槽”时的一致性，即冼出槽的深度一致；将冼“槽”位置控制在密封圈以上，极柱与铅熔铸处 5 mm 以下。也可在设计极柱模具时直接设计出“槽”形台阶（见图11）。此方式对生产操作要求较高，且要求模具位置合理。如果采用压铸方式生产极柱，采用此方式效果更好。

图9 改善前的极柱

图10 改善后的极柱

图11 某一型号极柱的设计图

2.2 电池极柱“爬酸”的外在影响因素及改善措施

极柱“爬酸”的外在影响因素主要有安装过程的规范水平和电池使用的工作环境。对此，在安装过程中，上螺丝时，对扭矩控制要适当。最好在恒常温工作环境中使用电池。如果在户外使用，应尽可能避免阳光直射，也可采用有引线的电池（见图 12）。

图12 有引线的电池

3 实验验证

采取上述改进措施后，按 GB/T 19638.2—2005中第 7.24 条[3]，结合电池高温浮充试验条件进行 2个循环的实验。实验条件与方法：① 电池在常温下以 0.25C10放至 10.50 V，记录放电时间，再以恒压 13.8 V/只、限流 0.15C10充电 10 h；② 将电池放置于（45±2）℃ 恒温箱中，以恒压 13.80 V/只、限流 0.2C10进行浮充充电 30 d（30 d 为 1 个循环）；③ 每做1个循环后，重复①的操作（需判定电池的容量），然后电池继续在恒温（45±2）℃条件下进行下 1 个循环试验。另外，要说明的是在此条件1 个循环等同在正常条件下 1 a 时间。进行 2 个循环实验验证后，解剖发现：极柱表面有光泽，没有出现“爬酸”的现象（见图 13）。