PP塑料用于VRLA蓄电池壳的缺点及改善措施

汤序锋，项本申，洪清富，方明学，高根芳

（天能电池集团有限公司技术中心，浙江 长兴 313100）

0 引言

目前，VRLA 电池壳[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）的强度大，热变形温度高，电阻系数大，但水汽泄漏严重（约为 PP 材料的 5 倍以上），氧气泄漏程度也高于 PP 材料[2]（约为 PP 材料的 1.4 倍）。由 PP 材料（即聚丙烯或其聚合物）制成的蓄电池壳具有较好的水汽、氧气保持性能，但强度较小，容易变形。由于 PP 材料具有良好的热封性能[3]，能实现电池组装线的全自动作业，故被大量用于汽车起动电池。与 ABS 材料对比，PP 材料具有价格优势，另兼有较少失水量，良好塑性性能。国外的VRLA 电池厂，如 Exide、GNB、C&D、CSB 等，有很多产品采用 PP 材料。由于存在 PP 材料强度小，易变形，端子密封性差[4]等方面的技术问题需要解决，国内的 VRLA 电池厂一般采用 ABS 材料[5]，用 PP 材料的相对较少。本文中，针对 PP 材料应用于 VRLA 蓄电池壳的优点和缺点，提出了解决方案和实例。

1 PP 材料用于 VRLA 蓄电池壳存在的缺点

1.1 电池壳易变形

VRLA 电池要求紧装配，而且由于安全阀的作用，在充电时电池内部会维持约 0.2～0.4 kPa 的空气压力，因此蓄电池壳要具有一定的强度、尽可能少的变形量。而普通 PP 材料与 ABS 料相比，强度较小，易变形。塑料电池壳变形量大会影响到蓄电池在设备机柜中的安装使用。

1.2 端子的密封性差

目前，对应用 PP 材料的蓄电池壳，端子密封主要有 2 种方式：仅用密封环的密封方式、密封环+环氧树脂的密封方式。

1.2.1 仅用密封环的密封方式

仅用密封环的密封方式就是在端子头上放置若干个环（俗称密封环）。端子头与电池盖一起射出成型，电池组装后把端子与端子头焊接在一起（一般采用火焰焊接，高级的使用亚弧焊）。由于密封环与电池盖只是接触，而非粘接在一起，因此它们之间会存在间隙。经过一段使用时间后，电池内部酸气会逐渐爬出。业界一般的做法是，尽量增加密封环的数量以延长爬酸距离，使电池在寿命终止时酸气仍然无法爬出，如图 1 所示。

图1 仅用密封环的密封方式

以某只某品牌 UPS12-370FR 蓄电池为例，其电池壳为 PP 材料的，其端子仅用密封环的密封方式。经过高温 60 ℃ 浮充 2 个月后，解剖发现：在密封环处，溴酚蓝指示剂变黄色，说明可测到硫酸：最上面与最下面的密封环均已变成黑色，而中间 2 个密封环没有变色，说明密封环与中盖间可能有极微小的间隙，存在氧气或酸、氧侵入，导致密封环逐渐被氧化（见图 2）。

图2 仅用密封环方式发生漏酸

从上面的分析中可看出，依靠密封环是无法阻止端子头处的爬酸现象，只能是推迟爬酸的时间而己，因此这种密封方式并不是十分的妥当。

1.2.2 密封环+环氧树脂的密封方式

对于采用密封环+环氧树脂的密封方式，不但在端子头上设置若干个密封环，而且于端子头与电池盖一起射出成型时在密封环上部形成一凹槽，再在凹槽中加入环氧树脂形成第 2 道密封（见图3）。由于 PP 材料本身的特性，环氧树脂无法与 PP粘接在一起，只是紧密地接触。如果受到外力，例如端子头受到撞击，电池寿命末期板栅膨胀产生应力等，可能会使环氧树脂与 PP 接合处产生间隙，从而导致爬酸。

图3 采用密封环+环氧树脂的密封方式

以采用这种密封结构储能 12 V /55 Ah 蓄电池为例，在高温 60 ℃ 环境下浮充 6.5个月（相当于常温寿命 6.5 a）后，电池端子处无爬酸现象，但透过红胶可看到里面的端子头已变黑（PbSO4），敲开红胶后可测到硫酸，解剖端子头后也可从密封环处测到硫酸（见图 4）。这证明，虽然环氧树脂与 PP 的粘接性不好，但是由于两者紧密接触，仍能起阻止爬酸的作用。

图4 采用密封环+环氧树脂的密封方式时无漏酸情况

2 改善方案

2.1 改善强度小易变形

针对普通 PP 材料强度小，易变形的特性，提出 2 种改善方案： 一是通过改性，增加 PP 材料的强度；二是增加电池槽壁的厚度，尤其是极群压缩面的电池槽壁更要加厚，必要时可增加加强筋。例如图 5 中 12 V/155 Ah 备用电池，压缩面的槽壁厚3.8 mm，外壁有横竖交错厚达 1.7 mm 的加强筋，可确保电池壳的强度达到要求。

图5 有加强筋的电池槽壁

采用改性后 PP 材料制成蓄电池壳，测得变形量见表 1。变形量测试方法：使用空电槽盖，进行完全密封（只留 1 个进气孔，槽隔间打通），密封后再分别通入不同 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 kgf/cm2的空气压力，用游标卡尺测量电池槽的宽度，取最大值。

表1 不同 PP 材料电池槽变形量 mm

2.2 改善端子头密封方式

改善端子头密封方式有 2 种：一种是增加端子头密封环，延长爬酸路径；另一种是注塑前在电池端子头外表层涂上一层增塑剂，作为媒介，增加密封环与 PP 的接著性能。

针对 PP 材料电池壳的端子产生爬酸的主要原因之一，即 PP 材料电池盖无法与端子圆铅头紧密结合，改善对策是在端子圆铅头待注塑区域预先涂覆增塑剂，然后才将端子圆铅头和 PP 电池盖整体射出。为了验证改善后的效果，进行电池在 60 ℃环境下加速电解法的模拟实验。仿真实验装置如图6 所示。电池盖只留端子圆铅头跟端子阀座部分作为试验样品，用铅条焊接串联在一起，放进盛有密度为 1.335 g/mL（20 ℃）硫酸电解液的容器中，使电解液液面没过铅端子底部。接上充电电源，在 60 ℃下以 0.15 A 充电 72 h。实验条件与结果见表 2。

图6 60 ℃ 加速电解法的仿真实验装置

表2 端子圆铅头与 PP 料电池盖结合情况的实验结果

3 结论

如果能妥善处理电池壳的强度问题、电槽与电池盖的密封问题、端子头的密封问题，凭着价格优势,良好的水汽、氧气保持性能，PP 材料应用在VRLA 蓄电池壳也是一大选择。

增加端子头密封环，延长爬酸路径，和注塑前在端子头外表层涂上一层增塑剂，增加密封环与PP 材料的接著性能，这些措施都能大大改善端子头密封问题。另外，关注其它一些电池制造细节，如严格控制电池端子头铸造、电池盖铸塑射出工艺，确保端子头的密封环成形良好，电池盖注塑饱满，才能最大限度地降低端子爬酸的可能。