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        中大密電池極柱“爬酸”分析與改善對(duì)策

        2018-10-19 02:12:08李培德
        蓄電池 2018年5期
        關(guān)鍵詞:密封膠負(fù)極端子

        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(huì)出現(xiàn)極柱“爬酸”現(xiàn)象。極柱“爬酸”會(huì)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(shí)漏膠(圖 1a);其三,對(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn))。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(duì)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(shí)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(shí)生成 Pb,放電時(shí)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(duì)這些影響因素,提出如下改善措施:

        (1)針對(duì)生產(chǎn)過程中工人的操作水平,加強(qiáng)對(duì)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(shí)效控制。極柱在被制成后應(yīng)及時(shí)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(shí)間較短的端子;圖 8 為庫存時(shí)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(shí)間較長的表面被氧化的端子

        (4)對(duì)于電池極柱的改進(jìn),可在極柱表面冼一個(gè)“槽”形臺(tái)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(shí)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(jì)極柱模具時(shí)直接設(shè)計(jì)出“槽”形臺(tái)階(見圖11)。此方式對(duì)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(hào)極柱的設(shè)計(jì)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(duì)此,在安裝過程中,上螺絲時(shí),對(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)條件進(jìn)行 2個(gè)循環(huán)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)循環(huán));③ 每做1個(gè)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(gè)循環(huán)試驗(yàn)。另外,要說明的是在此條件1 個(gè)循環(huán)等同在正常條件下 1 a 時(shí)間。進(jìn)行 2 個(gè)循環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)后極柱的解剖圖

        4 結(jié)論

        通過對(duì)電池極柱的改進(jìn),加上對(duì)極柱表面時(shí)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。

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