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摘要
动力电池作为新能源汽车的核心部件，其安全性与可靠性至关重要。极柱作为电池内外能量传输的关键通道，其密封性能直接关系到电池的长期稳定运行与安全性。密封失效可能导致电解液泄漏、外部湿气侵入、绝缘性能下降，进而引发短路、热失控等严重安全事故。本文系统分析了导致新能源动力电池极柱密封性能退化的主要因素，包括材料老化、机械应力、热循环效应、电化学腐蚀及制造工艺缺陷等。通过深入探讨各因素的作用机理，并结合实验观测与案例分析，揭示了密封性能退化的演化规律。在此基础上，提出了针对性的性能优化与可靠性提升建议，为动力电池的设计、制造、使用维护及寿命评估提供理论依据与技术参考。
关键词：动力电池；极柱；密封性能；退化机理；可靠性；电解液泄漏
一、 引言
随着全球能源转型与碳中和目标的推进，新能源汽车产业迎来爆发式增长。动力电池系统是电动汽车的“心脏”，其性能直接决定车辆的续航里程、安全性及使用寿命。在动力电池的众多关键部件中，极柱（或称端子）扮演着至关重要的角色。它是连接电池内部电芯与外部电路的唯一物理通道，负责承载高倍率充放电电流，同时必须有效隔离电池内部活性物质（如电解液）与外部环境。
极柱的密封性能是保障电池安全可靠的核心指标之一。理想的密封应能长期抵御内部电解液（通常具有腐蚀性、易挥发）的向外渗漏，以及外部环境（如水分、氧气、污染物）的向内侵入。然而，在电池的整个生命周期中，极柱密封系统会持续承受复杂的应力与环境作用，导致其密封性能逐渐退化。一旦密封失效，将引发一系列连锁反应：电解液泄漏会腐蚀电池模组及周边部件，降低绝缘电阻，增加短路风险；外部湿气侵入会与电解液反应生成有害气体（如HF），加速内部腐蚀，导致电池容量衰减、内阻增大，极端情况下可能诱发热失控，威胁驾乘人员安全。
因此，深入系统地研究动力电池极柱密封性能的退化机制，对于提升电池系统的可靠性、延长使用寿命、保障新能源汽车产业健康发展具有重大意义。本文旨在综合工程实践与理论研究，对极柱密封性能退化的原因、机理及对策进行深入剖析。
二、 极柱密封结构概述与性能要求
（一）典型极柱密封结构
动力电池极柱密封通常采用多层材料与结构组合的方案，以实现可靠的静态密封。常见结构包括：
1. 玻璃-金属密封（Glass-to-Metal Seal, GTMS）： 利用具有特定热膨胀系数的玻璃粉在高温下熔融，实现金属极柱与电池盖板之间的气密性封接。该结构绝缘性好，耐腐蚀性强，常见于圆柱形和方形铝壳电池。
2. 聚合物密封圈密封： 采用耐电解液、耐老化的弹性体（如氟橡胶、硅橡胶、三元乙丙橡胶）制成O形圈、垫片等，通过机械压紧方式实现密封。多用于方形电池和软包电池的极耳引出结构。
3. 钎焊或激光焊密封： 将极柱与盖板通过钎料或直接激光熔焊连接，形成冶金结合。此方法密封可靠性高，但对工艺控制要求严格。
4. 复合密封结构： 结合上述多种方式，例如在GTMS基础上增加外部聚合物密封圈作为二次防护，进一步提升可靠性。
（二）密封性能核心要求
1. 气密性： 能够有效防止电池内部气体（充放电产生、电解液挥发）外泄和外部气体（空气、水汽）内渗。通常采用氦质谱检漏法进行检测，漏率需低于特定阈值（如1×10⁻⁷ Pa·m³/s）。
2. 绝缘电阻： 保证极柱与电池壳体（通常为电位零点）之间具有极高的绝缘电阻，避免漏电流产生和短路风险。
3. 机械强度： 能承受电池内部压力波动、外部振动、冲击及安装扭力等机械应力，保持密封结构的完整性。
4. 耐环境性： 长期抵抗电解液腐蚀、高低温循环、湿度变化等恶劣环境因素的影响。
5. 长期稳定性： 在电池预期寿命内（通常8-15年），密封性能衰减应在可控范围内。
三、 极柱密封性能退化的主要因素及机理分析
极柱密封性能的退化是一个多因素耦合作用的复杂过程，主要可归纳为以下几类：
（一）材料老化与性能衰减
1. 聚合物密封材料老化：
* 化学老化： 电解液（特别是锂盐如LiPF6水解产生的HF）、电池内部产生的微量气体（如CO₂、CO）会逐渐侵蚀聚合物密封圈，导致其分子链断裂、交联度变化，从而使弹性下降、变硬、变脆，甚至出现裂纹。氟橡胶虽耐化学性较好，但长期暴露下仍会缓慢降解。
* 物理老化： 长期处于压缩状态下的密封圈会发生应力松弛，导致密封压紧力下降。温度波动会加速此过程。
* 热氧老化： 电池工作温度及环境温度作用下，氧气会引发聚合物氧化反应，导致材料性能劣化。
2. 玻璃密封材料析晶与微裂纹： GTMS中的玻璃体在长期热循环下可能发生析晶，导致体积变化和内部应力集中，产生微裂纹。电解液蒸汽可能沿微裂纹渗透，腐蚀玻璃与金属的结合界面。
3. 金属部件腐蚀：
* 电化学腐蚀： 极柱（通常为铝或铜）与盖板（通常为铝）在电解液环境下可能形成电偶电池，加速接触区域的电化学腐蚀，破坏密封界面。
* 缝隙腐蚀： 在密封圈与金属的接触缝隙处，由于氧浓度差，易发生缝隙腐蚀，加剧界面损伤。
（二）机械应力作用
1. 振动与冲击： 车辆行驶过程中的持续振动和偶发冲击，会使极柱与密封界面产生微动磨损，破坏密封层。同时，机械应力可能导致紧固件松动，使密封压紧力减小。
2. 内部压力波动： 电池充放电过程中，尤其是大倍率充放电或过充过放时，内部会产生气体，导致压力变化。频繁的压力波动会对密封界面产生交变应力，引发疲劳损伤。
3. 安装应力： 极柱与外部导线连接时，若拧紧扭矩不当（过小导致压紧不足，过大导致密封圈过度压缩或金属件变形），会直接影响初始密封性能并为长期退化埋下隐患。
（三）热循环效应
1. 热膨胀系数不匹配： 极柱、密封材料（玻璃或聚合物）、盖板三者热膨胀系数存在差异。在电池工作及环境温度循环变化下（-40℃至60℃甚至更高），界面处会产生热应力，长期作用可能导致界面开裂、密封失效。
2. 热疲劳： 反复的热胀冷缩会使材料（特别是脆性玻璃和老化后的聚合物）产生热疲劳裂纹。
3. 高温加速老化： 高温会显著加速聚合物材料的老化速率和应力松弛过程。
（四）电化学因素
1. 电迁移与析锂： 在极高倍率充电或低温充电等不当工况下，锂离子可能在极柱附近析出，形成枝晶，刺穿绝缘密封层，造成短路或密封破坏。
2. 界面副反应： 极柱/密封材料/电解液三相界面处可能发生复杂的电化学副反应，生成不导电或体积变化的产物，影响界面稳定性。
（五）制造工艺缺陷
1. 密封界面污染： 装配过程中，油脂、灰尘等污染物残留在密封界面，会严重影响密封效果。
2. 焊接缺陷： 激光焊或钎焊过程中产生的气孔、未熔合、裂纹等缺陷，直接构成泄漏通道。
3. 玻璃封接不良：
GTMS工艺参数控制不当，导致玻璃与金属浸润性差、存在气泡或裂纹。
4. 密封圈尺寸精度或安装不到位： 密封圈尺寸超差、损伤或安装时扭曲、压缩量不均，导致局部泄漏。
四、 密封性能退化表征与检测方法
为评估和监控极柱密封性能退化，需采用有效的表征与检测手段：
1. 气密性检测（泄漏测试）： 最直接的方法。常用氦质谱检漏法，可定量测量漏率。在电池生命周期内进行定期或加速老化后的抽检，可追踪密封性能变化。
2. 绝缘电阻测试： 定期测量极柱与壳体间的绝缘电阻，若发现显著下降，提示可能存在电解液泄漏或湿气侵入导致的绝缘劣化。
3. 外观检查与形貌分析： 拆解失效电池，通过光学显微镜、扫描电子显微镜观察密封界面是否有裂纹、腐蚀、变形等缺陷。
4. 材料性能测试： 对老化后的密封材料进行力学性能测试（如压缩永久变形、拉伸强度）、热分析（TGA、DSC）、傅里叶变换红外光谱分析等，以评估材料老化程度。
5. 无损检测技术： 如X射线成像可用于检测内部焊接缺陷、密封圈状态；超声波检测可用于评估界面结合质量。
五、 提升极柱密封可靠性的对策建议
针对上述退化机理，可从设计、材料、工艺、使用维护等多方面提升极柱密封可靠性：
（一）优化结构设计
1. 采用多重密封设计： 如GTMS结合外部聚合物密封圈，形成主辅密封，提高安全冗余。
2. 改进界面设计： 优化密封面的粗糙度、平面度，采用合理的密封槽设计，确保压力均匀分布。
3. 考虑热匹配设计：
尽可能选择热膨胀系数相近的材料组合，或通过结构设计补偿热应力。
（二）选用高性能材料
1. 开发耐老化密封材料： 研发更耐电解液腐蚀、耐高温、抗应力松弛的新型弹性体或特种工程塑料。
2. 提升玻璃密封性能： 优化GTMS玻璃配方，提高其抗析晶能力、化学稳定性和与金属的结合强度。
3. 应用表面处理技术： 对金属极柱和盖板进行表面涂层（如陶瓷涂层、Parylene涂层）或钝化处理，增强耐腐蚀性。
（三）严格控制制造工艺
1. 洁净度控制： 确保装配环境洁净，严格清洗密封部件，避免污染。
2. 工艺参数优化与监控： 对焊接、封接等关键工序的工艺参数（如功率、速度、温度、压力）进行精密控制和实时监测。
3. 自动化与智能化生产： 采用自动化设备进行密封圈安装、拧紧等操作，保证一致性和精度。引入机器视觉等进行在线质量检测。
（四）规范使用与维护
1. 避免极端工况： 防止过充、过放、超高倍率充放电、极端温度下使用，以减少内部压力波动和热应力。
2. 定期检查维护： 在车辆定期保养时，检查电池包外观有无泄漏痕迹，监测绝缘电阻变化。
（五）加强寿命预测与健康管理
1. 建立加速老化试验模型： 通过温度、振动、电负载等加速因子进行试验，建立密封性能退化模型，用于预测实际使用寿命。
2. 集成电池管理系统：
探索利用内阻变化、温度异常等间接参数，对密封状态进行早期预警的可能性。
六、 结论
动力电池极柱的密封性能是保障电池系统安全、可靠、长寿命运行的关键。其性能退化是一个涉及材料、机械、热、电化学等多物理场耦合作用的复杂过程，主要源于材料老化、机械应力、热循环、电化学腐蚀及制造缺陷等因素的长期影响。深入理解这些退化机理，对于指导高性能密封材料的研发、优化密封结构设计、精密控制制造工艺、规范电池使用条件具有重要意义。未来，随着新能源汽车对电池能量密度、充电速度、使用寿命要求的不断提高，对极柱密封技术也提出了更高要求。需要持续开展基础理论研究、材料创新、工艺革新和智能监测技术开发，共同推动动力电池密封可靠性迈向新台阶，为新能源汽车产业的可持续发展奠定坚实的安全基础。