電池包上殼體腐蝕實(shí)驗(yàn)起泡分析

董玉軍　燕平

摘 要：高壓電池包上殼體進(jìn)行了水平放置中性鹽霧實(shí)驗(yàn)。上殼體采用的是鍍鋅鋼板，表面進(jìn)行KTL電泳涂覆。720小時(shí)中性鹽霧實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)電池包上殼體的部分位置發(fā)生了起泡的現(xiàn)象。經(jīng)過分析，電泳車間當(dāng)前的清潔度不佳（槽液、濾網(wǎng)等）是導(dǎo)致鹽霧實(shí)驗(yàn)失效的直接原因。此外，本實(shí)驗(yàn)要求平放，使得零件表面有積液，環(huán)境更苛刻。 建議：1.提升過程清潔度（改善槽液、濾網(wǎng)等）2.適當(dāng)降低KTL電壓以獲得更好的涂層均勻性和附著力。

關(guān)鍵詞：電池包上殼體 鹽霧實(shí)驗(yàn) 電泳涂覆 清潔度

Analysis of Blistering in the Corrosion Experiment of the Upper Shell of the Battery Pack

Dong Yujun，Yan Ping

Abstract：The upper shell of the high-voltage battery pack has been placed in a horizontal neutral salt spray experiment. The upper shell is made of galvanized steel， and the surface is coated with KTL electrophoresis. After 720 hours of neutral salt spray test， it was found that blistering occurred in some positions of the upper shell of the battery pack. The analysis finds that the current poor cleanliness of the electrophoresis workshop （tank liquid， filter， etc.） is the direct cause of the failure of the salt spray experiment. In addition， this experiment requires flat laying， which makes the surface of the parts accumulate， and the environment is more demanding. Suggestions： 1. Improving the cleanliness of the process （improve the tank liquid， filter screen， etc.） 2. Appropriately reducing the KTL voltage to obtain better coating uniformity and adhesion.

Key words：upper shell of battery pack， salt spray test， electrophoretic coating， cleanliness

近年來，隨著新能源電動(dòng)車的發(fā)展，電池包上殼體在選材有了多種類型的材料應(yīng)用，如鋼、SMC、鋁合金等[1]。作為鋰離子電池的載體，電池包殼體需要同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐蝕、安全等多方面的要求。2021年1月1日起實(shí)施的國標(biāo)GB/T38031《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》，對(duì)電池包的火燒實(shí)驗(yàn)提出了明確的要求。在這樣的背景下，鋼制上殼體因?yàn)榫邆漭^高的熔點(diǎn)和強(qiáng)度，成為了較好的選擇。另一方面，設(shè)計(jì)要求電池包在整個(gè)服役生命周期中不能出現(xiàn)銹蝕穿透的情況，以避免短路等安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)鋼制上殼體進(jìn)行表面電泳防腐處理，以保證殼體的耐腐蝕性能。

1 背景介紹

本案例的電池包上殼體為鍍鋅鋼板，表面再采用電泳漆進(jìn)行防腐處理。考慮到實(shí)際工況，即電池包平放在底盤位置。在進(jìn)行中性鹽霧腐蝕驗(yàn)證時(shí)，將上殼體平放在鹽霧箱內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在720小時(shí)中性鹽霧實(shí)驗(yàn)后，電池包殼體上部有多處位置發(fā)生了電泳涂層腐蝕起泡的現(xiàn)象。

2 理化分析

首先測試了殼體的電泳漆的鍍層厚度，結(jié)果顯示KTL鍍層厚度滿足設(shè)計(jì)要求。要求值是30-60μm，實(shí)測值是46.5～49.2μm，實(shí)測的厚度處于要求范圍的中值區(qū)間。

接下來，進(jìn)行氣泡處的組分分析。打開氣泡，測試EDS（元素含量），發(fā)現(xiàn)存在Na和Cl元素。在油漆氣泡下發(fā)現(xiàn)了Na和Cl（Na的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是4.8%，Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是11.9%），說明在鹽霧實(shí)驗(yàn)的過程中，涂層中有鹽進(jìn)入。可以得知，部分區(qū)域的KTL涂層在鹽霧實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生了破損，并非僅僅起皮。接下來，需要分析的是油漆涂層在腐蝕實(shí)驗(yàn)中破損的原因。

3 機(jī)理和分析

在分析失效原因之前，簡述一下電泳的工藝流程。KTL電泳漆（樹脂）在水中離解為帶電荷的水溶性成膜聚合物，并在直流電場的作用下，泳向相反電極（被涂面）在其表面上析出。下面是KTL的詳細(xì)工藝流程，總結(jié)下來，可將整個(gè)工藝過程劃分為5個(gè)大的階段，分別是清洗1-磷化-清洗2-KTL-清洗和干燥。[2]

根據(jù)KTL的工藝，相應(yīng)地，對(duì)于鍍鋅層的KTL鋼板，如果將其剖開，其表面共有4層，從下往上分別為：基底層（鋼），鍍鋅層，磷化層，KTL電泳涂層。

根據(jù)上述的KTL電泳工藝和零件表面的層狀結(jié)構(gòu)，零件表面KTL電泳防腐質(zhì)量的影響因素如下：

（1）電泳后零件的表面原始缺陷（電泳后零件表面可見的針眼等缺陷）。（2）磷化前后未清洗干凈（影響后道的KTL附著結(jié)合力）。（3）KTL電泳參數(shù)及環(huán)節(jié)（KTL電泳厚度和質(zhì)量）。

關(guān)于第一點(diǎn)，如果電泳后零件的表面存在原始缺陷，那么，這些缺陷有可能成為腐蝕實(shí)驗(yàn)中的薄弱點(diǎn)。為此，在鹽霧實(shí)驗(yàn)前，仔細(xì)檢查了上殼體的KTL電泳表面質(zhì)量，整體較好，未見明顯的或較大的缺陷。對(duì)于一些極為細(xì)小的類似于針孔的缺陷，被仔細(xì)地檢查并標(biāo)注出來。

在進(jìn)行了720h中性鹽霧實(shí)驗(yàn)之后，我們?cè)贆z查零件。發(fā)現(xiàn)，標(biāo)注了原始微小缺陷的位置，未見明顯變化，并未發(fā)生腐蝕或起泡現(xiàn)象。因此，在本案例中，可以排除第一點(diǎn)影響因素。

第二點(diǎn)，是磷化質(zhì)量。磷化層對(duì)KTL的影響至關(guān)重要，磷化層決定了后期KTL電泳涂層的附著質(zhì)量。如果清洗過程未做好，導(dǎo)致油脂焊渣等未清洗干凈或混入，將嚴(yán)重影響磷化層的生成，進(jìn)而影響后續(xù)的KTL附著。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，如果磷化層膜松散，或排列雜亂，則可能因?yàn)槿鄙倭谆赡さ谋匾煞郑缌住⒘虻萚3]。磷化層的質(zhì)量將影響后期KTL的附著質(zhì)量。

通過掃描電鏡，對(duì)去掉電泳漆膜后的磷化層進(jìn)行觀察，來分析零件的表面磷化狀態(tài)，如下圖所示。可以看到，零件表面的磷化層形成了非常均勻地附著，未見明顯的缺陷。因此判斷，表面處理的磷化環(huán)節(jié)是符合要求的。

接下來，討論第三點(diǎn)影響因素，即KTL電泳環(huán)節(jié)。KTL環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)包括：槽液溫度、電壓、電導(dǎo)率、灰分、固體含量、溶劑含量等。需要設(shè)置合理的參數(shù)并匹配好，才能獲得良好的電泳質(zhì)量。

首先，需要弄清楚，為什么涂層會(huì)起泡，起泡需要具備什么條件。

涂層起泡原理：涂層局部失去附著力，受泡內(nèi)氣體或液體的壓力離開基材鼓起，呈現(xiàn)似圓形的凸起變形。引發(fā)起泡所需的條件：一是涂層具有透水透氣性。二是涂層與基材之間存在缺陷（如油污、KTL涂層不均勻，部分區(qū)域存在缺陷等）。理想的KTL涂覆是均勻地逐層附著在磷化層上面，達(dá)到合適的厚度停止。如果KTL涂覆不均勻甚至部分區(qū)域存在缺陷，那么會(huì)影響最終的防腐性能。

對(duì)于本案例，相應(yīng)地：

KTL是一層樹脂膜，水汽分子可以透過，處于高溫高濕環(huán)境時(shí)，水蒸氣透過涂層，他們膨脹生產(chǎn)應(yīng)力，破壞涂層。在前處理至最后電泳漆烘干過程中，可能表面油污去除不徹底或混入雜質(zhì)，或是KTL工藝過程未控制好，使得KTL層在部分區(qū)域存在薄弱點(diǎn)。

化學(xué)介質(zhì)（NaCl）會(huì)使得KTL樹脂老化，化學(xué)介質(zhì)（NaCl）會(huì)沿微裂紋擴(kuò)散至基材，使得涂層膨脹，降低界面結(jié)合力。從這個(gè)角度而言，沒有缺陷的位置也會(huì)起泡。特別地，本實(shí)驗(yàn)要求平放，使得零件表面有積液，環(huán)境更苛刻。

筆者去表面保護(hù)處理廠商的生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)表面處理生產(chǎn)線的清潔度未能控制好，這其中包括槽液，廊道的清潔度以及日常的巡檢等，需要進(jìn)行梳理和整改。

4 措施

針對(duì)于上述問題，與表面保護(hù)廠商討論并制定了相應(yīng)的措施，其中包括：

4.1 清潔度優(yōu)化

（1）增加一道純水洗的工序，以確保烘干前工件清潔度。（2）更換所有噴淋工序槽液，進(jìn)一步提升過程清潔度。（3）清潔噴淋工序過濾網(wǎng)-從25目改到50目。（4）更換烘箱過濾網(wǎng)-孔徑從25um到10um。

4.2 KTL工藝參數(shù)優(yōu)化

降低電泳電壓，從270V降至240V，以降低鍍鋅板反應(yīng)速率，保證更為均為地涂覆。為了補(bǔ)償電壓降低造成的KTL層厚的減少，采取兩種措施：（1）增加固體份含量、降低溶劑含量。（2）將電泳槽槽液溫度從32℃°提升至34℃°。

經(jīng)過上述措施的優(yōu)化，我們重新進(jìn)行了720h水平放置鹽霧實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，表面未發(fā)現(xiàn)明顯的起泡腐蝕現(xiàn)象。

對(duì)于后續(xù)的長期管控措施，制定如下：

（1）定期更換濾網(wǎng)，以保護(hù)系統(tǒng)的清潔。（2）定期檢測生產(chǎn)線槽液的指標(biāo)：PH值（要求6～7），電導(dǎo)率（<50us/cm）。根據(jù)上述兩個(gè)指標(biāo)，來判斷槽液的清潔度和質(zhì)量。

5 結(jié)論和建議

鹽霧實(shí)驗(yàn)要求從斜放改為平放，造成零件表面更多的積液，使得實(shí)驗(yàn)環(huán)境更為苛刻。電泳車間當(dāng)前的清潔度不佳（槽液、濾網(wǎng)等）是導(dǎo)致鹽霧實(shí)驗(yàn)失效的直接原因。需要更為嚴(yán)格的生產(chǎn)條件和批量控制，來滿足新的要求。同時(shí)，需要調(diào)試并設(shè)置合適的KTL參數(shù)，以使得在KTL過程中，涂料均勻地附著于零件表面。

標(biāo)準(zhǔn)的鹽霧實(shí)驗(yàn)方法，詳見 ISO92277.2，要求將零件斜放在鹽霧箱中，與垂直方向呈15°～25°。在本案例里，將零件平放在鹽霧箱中，主要原因應(yīng)該是考慮到電池包是平放安裝在汽車底部這一實(shí)際工況。同樣地，對(duì)于新能源的相關(guān)零件材料設(shè)計(jì)定義，應(yīng)更多地考慮到零件實(shí)際工況，基本的出發(fā)點(diǎn)是保證車輛使用過程中零件不出現(xiàn)質(zhì)量問題。同時(shí)，對(duì)于新工藝新設(shè)計(jì)，可以根據(jù)零件實(shí)際服役情況來反向驗(yàn)證和重新定義設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王付才，楊海.純電動(dòng)汽車電池包殼體輕量化材料應(yīng)用及研究進(jìn)展，汽車工藝與材料[J].2020.09-005.

[2]張才松.汽車零部件陰極電泳涂裝現(xiàn)場質(zhì)量控制淺談（II），現(xiàn)代涂料與涂裝 [J]. 2010.12：41～43.

[3]冉浩，劉立建.一次涂裝事故的原因分析，電鍍與涂飾[J].2015.34（10）：808～811.