馬永濤，王寧，李猛，牛道祥，肖峰，王軍

（安徽力普拉斯電源技術(shù)有限公司，安徽 淮北 235100）

0 引言

小型閥控式鉛酸蓄電池多應(yīng)用于應(yīng)急燈照明系統(tǒng)、便攜式儀器、玩具車、電動(dòng)工具等。隨著小型閥控式鉛酸蓄電池的廣泛應(yīng)用，客戶對(duì)其端子的密封性能要求更加苛刻。筆者通過(guò)對(duì)小型閥控式鉛酸蓄電池端子密封結(jié)構(gòu)和爬酸機(jī)理的研究，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造過(guò)程逐層分析產(chǎn)生端子爬酸的原因，提出了對(duì)應(yīng)的控制方法，達(dá)到提高產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

1 端子爬酸產(chǎn)生機(jī)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(jié)構(gòu)的電池，由于設(shè)計(jì)或在生產(chǎn)、使用過(guò)程中因?yàn)槊芊獯嬖趩?wèn)題，經(jīng)過(guò)充放電之后，在電池內(nèi)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(jié)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(guò) 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?jiǎn)栴}。

圖1 小型閥控式密封鉛酸蓄電池端子結(jié)構(gòu)示意圖

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

表1 正、負(fù)極物質(zhì)的密度

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致端子爬酸的因素及控制方法

2.1 極柱尺寸的設(shè)計(jì)

鉛酸蓄電池的極柱主要起將電池內(nèi)部與外部連接的作用（參見圖 1）。極柱的直徑根據(jù)設(shè)計(jì)的電池可承載最大電流先被確定下來(lái)，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(tái)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(shè)計(jì)為圓臺(tái)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(shí) 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(shè)計(jì)有預(yù)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(shí)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(fèi)成本，而且也會(huì)產(chǎn)生焊接鉛量多堵塞極柱孔的問(wèn)題。

2.2 極柱與極柱孔及端子孔的配合設(shè)計(jì)

極柱的尺寸設(shè)計(jì)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(duì)于極柱與電池蓋極柱孔的配合，應(yīng)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(guò)大，而 O 形圈密封不住，滴加環(huán)氧樹脂膠時(shí)就會(huì)漏膠，同時(shí)增加端子爬酸的風(fēng)險(xiǎn)。如果設(shè)計(jì)間隙過(guò)小，封蓋時(shí)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?qū)O柱壓變形，同樣會(huì)增加端子爬酸的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)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(shè)計(jì)要求，端子孔的直徑應(yīng)依據(jù)極柱與端子孔表面平齊位置的極柱直徑來(lái)設(shè)計(jì)。一般設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)間隙過(guò)大，焊接時(shí)就會(huì)嚴(yán)重漏錫，堵塞端子下部極柱孔的空隙。如果設(shè)計(jì)間隙過(guò)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(huì)大大增加生產(chǎn)制造過(guò)程控制的難度[4]。

2.3 極柱與 O 形圈的配合設(shè)計(jì)

極柱與 O 形圈的配合設(shè)計(jì)是端子密封的關(guān)鍵[5]。O 形圈材質(zhì)目前多是三元乙丙橡膠。三元乙丙橡膠由于具有高拉伸強(qiáng)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(nèi)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(nèi)徑與極柱直徑的配合關(guān)系，應(yīng)根據(jù) O 形圈的內(nèi)徑被擴(kuò)張量的 1/2與 O 形圈原截面直徑的比值來(lái)衡量。將 O 形圈套到極柱上，極柱的直徑即 O 形圈被擴(kuò)張后的內(nèi)徑。此比值保持在 20 %～30 % 為宜，否則太大或太小都會(huì)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(shè)計(jì)

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

3 制造過(guò)程導(dǎo)致端子爬酸因素及控制方法

3.1 極柱質(zhì)量的影響及控制

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

鑄焊的極柱質(zhì)量問(wèn)題是引起端子爬酸比較常見的因素。鑄焊過(guò)程中底模模腔內(nèi)沾染有污垢，脫模不暢，或脫模劑噴涂過(guò)厚等，都會(huì)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(dǎo)致端子爬酸的主要因素[6]。在鑄焊過(guò)程中對(duì)極柱質(zhì)量的監(jiān)控至關(guān)重要，必須進(jìn)行首件檢驗(yàn)確認(rèn)。生產(chǎn)時(shí)將前兩模作為空模，把模腔的極柱取出，測(cè)量極柱的尺寸并檢查成型狀況，確認(rèn)合格再批量生產(chǎn)，并且定時(shí)監(jiān)控極柱的質(zhì)量。測(cè)量的極柱直徑與設(shè)計(jì)尺寸會(huì)存在一定的偏差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，允許正偏差 0.1 mm，負(fù)偏差 0.2 mm。偏差不宜過(guò)大，否則影響后續(xù)操作，而且會(huì)加大端子爬酸的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 塞 O 形圈質(zhì)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(guò)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(shí)不能對(duì)極柱造成損傷。比較常見的塞 O 形圈的工具有氣動(dòng)或電動(dòng)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(duì) 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(jìn)一步提高密封性，會(huì)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(guò)驗(yàn)證的確可以提高密封性。

3.3 焊接端子質(zhì)量的影響及控制

焊接端子質(zhì)量的好壞是能否引起電池端子爬酸的一個(gè)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(dāng)間隙和高度符合要求時(shí)，焊接端子的焊點(diǎn)光滑、圓潤(rùn)飽滿，添加的焊錫絲少，焊接時(shí)間短，很容易焊好；當(dāng)間隙和高度不符合要求時(shí)，端子焊接的焊點(diǎn)粗糙，表面凹陷，漏錫，添加的焊錫也多，焊接時(shí)間長(zhǎng)，比較難焊好，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且質(zhì)量也沒(méi)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?yàn)楹附勇╁a，錫液將端子孔下部與 O 形圈上部的空間填充，導(dǎo)致滴加的環(huán)氧樹脂膠無(wú)法完全覆蓋 O 形圈表面，使極柱的密封性大大降低，導(dǎo)致充放電過(guò)程中容易產(chǎn)生端子爬酸的問(wèn)題。

3.4 環(huán)氧樹脂膠質(zhì)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(jìn)行密封，同時(shí)標(biāo)識(shí)出電池的正負(fù)極性。一般，有只使用色膠一種進(jìn)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(shí)際需要采用不同的方式。

使用環(huán)氧樹脂膠時(shí)必須保證配比的正確，否則會(huì)導(dǎo)致膠不固化，局部固化，或者即使固化但硬度低的問(wèn)題，起不到密封作用。使用時(shí)采用稱重的方法確認(rèn)配比，同時(shí)可以采用微波爐做快速膠樣，測(cè)試硬度。配好膠水后要在 15～20 min 可使用時(shí)間內(nèi)用完，避免膠水發(fā)熱變質(zhì)[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(nèi)部多呈粉末狀，結(jié)合力差；而撬開高溫固化的膠水，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部呈片狀，結(jié)合力非常好。膠水固化冷卻后硬度值要達(dá)到 80以上。另外，環(huán)氧樹脂膠水的剪切強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，一般要達(dá)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(jié)合力強(qiáng)，可以大大降低端子爬酸的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 充放電連接件質(zhì)量的影響及控制

小型閥控式鉛酸蓄電池生產(chǎn)過(guò)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(zhì)對(duì)是否會(huì)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(zhì)的（這種導(dǎo)電性好），絕對(duì)不能使用鐵制或者不銹鋼材質(zhì)的（此種材質(zhì)連接件導(dǎo)電性差，內(nèi)阻大，大電流放電過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致端子根部發(fā)熱，損壞端子與O 形圈、環(huán)氧樹脂膠的結(jié)合面，破壞密封性，直接導(dǎo)致端子爬酸）。對(duì)充放電連接件可以采用 20 A 的電流放電 10 min 的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。放電過(guò)程中，溫度不超過(guò) 60 ℃ 的連接件可以正常使用。連接件溫度越低說(shuō)明其導(dǎo)電性越好，發(fā)熱少。對(duì)于溫度超過(guò) 60℃ 的連接件，之后溫度會(huì)急劇上升，很快達(dá)到 90 ℃ 以上。這時(shí)與端子接觸的環(huán)氧樹脂膠會(huì)被燒黑，密封結(jié)構(gòu)被破壞，連不易爬酸的正極端子也會(huì)出現(xiàn)端子爬酸。

在使用過(guò)程中要定期檢查更換充放電連接件，并涂抹防銹油進(jìn)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(guò)程中會(huì)因接觸不良，導(dǎo)致蓄電池端子發(fā)熱，破壞密封結(jié)構(gòu)，最終也會(huì)產(chǎn)生端子爬酸問(wèn)題。

4 總結(jié)

端子的密封性從電池開始組裝到最終做成成品，各個(gè)工序環(huán)環(huán)相扣，任一工序控制得不到位都會(huì)影響電池端子的密封性，導(dǎo)致電池在制造或使用過(guò)程中產(chǎn)生端子爬酸的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)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(gè)部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制及對(duì)制造過(guò)程中控制要點(diǎn)的管控，可以大大降低端子爬酸的風(fēng)險(xiǎn)，使蓄電池的端子爬酸問(wèn)題得到有效的控制和解決。