Litiumparistojen yleiset vikatilat kulutuselektroniikassa

Litium-ioni- ja litiumpolymeeriparistot ovat nykyään lähes jokaisen kannettavan kulutuslaitteen virtalähde älypuhelimista ja kannettavista tietokoneista langattomiin korvannuppuihin ja tabletteihin. Niiden suuri energiatiheys ja kyky ladata niitä satoja kertoja ovat tehneet niistä välttämättömiä. Kuitenkin nämä samat järjestelmät voivat epäonnistua monin tavoin, joskus dramaattisesti. Ymmärtämällä, miten ja miksi ne epäonnistuvat, käyttäjät voivat pidentää laitteen käyttöikää, estää onnettomuuksia ja valita turvallisempia tuotteita. Alla tutustumme ensisijaisiin vikatiloihin, niiden perimmäisiin syihin ja siihen, mitä voit tehdä riskien lieventämiseksi.

1. Kapasiteetti haihtuu ja ikääntyminen heikentyy

Kapasiteettihäviö on akun yleisin ja ennustettavissa oleva hajoamismuoto. Jokainen lataus-purkaussykli aiheuttaa peruuttamattomia kemiallisia muutoksia. Kiinteä-sähköinen interfaasikerros (SEI) kasvaa, kuluttaa aktiivista litiumia. Elektrolyyttiliuottimet hajoavat ja katodimateriaalit menettävät rakenteellisen eheyden. Ajan myötä nämä vaikutukset vähentävät akun energian määrää. Käyttäjät huomaavat lyhyemmät juoksuajat latausten välillä, usein 300..500 koko syklin jälkeen. Kalenteri ikääntyminen (aika) vaikuttaa myös silloinkin, kun akku ei ole käytössä. Korkeat lämpötilat kiihdyttävät prosessia merkittävästi, minkä vuoksi lämpö on akun elinkaaren vihollinen.

2. Sisäiset lyhyet virtapiirit ja Dendrite Formation

Sisäiset shortsit tapahtuvat, kun positiiviset ja negatiiviset elektrodit koskettavat suoraan solun sisällä. Valmistusvirheet . Kuten metallihiukkasten saastuminen tai huono erotinlaatu . Enemmän salakavalaa ovat dendriitit: mikroskooppiset, puun kaltaiset metalli litiumin talletukset, jotka kasvavat nopean latauksen tai ylilatauksen aikana. Dendrites voi lävistää ohut polymeerierotin, luoda matala-impedanssi polku, joka johtaa paikalliseen lämmitykseen. Jos lyhyt on tarpeeksi suuri, se voi laukaista lämpöä valua. Monet akku muistuttaa on jäljitetty sisäisiin shortsit johtuvat epätäydellisistä valmistusprosesseista.

3. Lämpökaranteeni

Lämpövuoto on vaarallisin vikatila. Se alkaa, kun sisäinen lämmöntuotanto ylittää akun ja myrkkyhöyryjen kyvyn hävittää lämpöä. Lämpötila nousee, eksotermiset reaktiot lisääntyvät solun sisällä. Elektrolyytti hajoaminen vapauttaa palavia kaasuja, ja erotin kutistuu tai sulaa, aiheuttaa enemmän sisäisiä shortseja. Tämä kaskadi voi johtaa tulipaloon, räjähdykseen ja myrkyllisten kaasujen tyhjentämiseen. Ylilataus on yleinen laukaisin: pakottamalla enemmän energiaa täysin ladattuun kennoon aiheuttaa litiumin pinnoitusta ja lämmöntuotantoa. Ulkoiset lämmönlähteet (esim. jättäen laitteen kuumaan autoon) ja mekaaniset vauriot (punktio, murskaus) myös käynnistää karkaamisen. Moderneissa laitteissa on useita suojatoimenpiteitä tämän estämiseksi, mutta mikään järjestelmä ei ole vikaturva.

4. Jännitelama ja ...

Kaikki shortsit eivät ole katastrofaalisia. . . . . soft. lyhyt voi johtua lievästä elektrodien epäyhtenäisyydestä tai vähäisestä saastumisesta, mikä aiheuttaa normaalia suuremman itsepurkamisnopeuden. Akku voi silti toimia, mutta näyttää nopean jännitteen pudotuksen joutokäynnillä. Ajan myötä tämä voi johtaa solun epätasapainoon monisolupakkauksissa, vähentää käyttökelpoista kapasiteettia ja aiheuttaa ennenaikaisen sammumisen. Pehmeät shortsit ovat vaikea havaita ilman huolellista valvontaa piiri.

5. Kaasuntuotanto ja turvotus

Litiumpolymeeriparistot turpoavat usein, kun sisäiset kaasut syntyvät elektrolyyttien hajoamisesta tai kosteuden tunkeutumisesta. Pussikenno laajenee ja työntää laitteen koteloa vasten. Vaikka turvotus ei aina tarkoita välitöntä vikaa, se osoittaa paineen kertymistä ja elektrolyyttien mahdollista menetystä. Turvotus voi aiheuttaa kemiallisia palovammoja tai tulipaloja puhjetessaan. Tämä tila on erityisen yleinen vanhentaessa kannettavassa tietokoneessa ja puhelinakuissa, jotka ovat altistuneet kuumuudelle tai fyysiselle stressille.

Juuri Epäonnistumisen syyt

Valmistusvirheet

Jopa hyvin valvotuissa tehtaissa metalli- tai pölyhiukkaset voivat saastuttaa soluja. Nämä hiukkaset voivat houkuttua elektrodeihin koko kokoonpanon aikana ja lopulta aiheuttaa shortseja. Huono elektrodin pinnoite yhtenäisyys, riittämätön kuivuminen ja heikko erotuskyky ovat muita mahdollisia vikoja. Suuret palautteet . Kuten 2016 Samsung Galaxy Note7 tapahtumat . Jäljitettiin lopulta valmistusprosessin vikoihin, joiden ansiosta elektrodit lyhenivät välilehdissä.

Ylihinta ja ylihinta

Litiumparistot on säilytettävä tiukassa jänniteikkunassa, tyypillisesti 2.5..4.2 V per solu. Ylimitoitettuja ylärajoja (ylilataus) kaistat litium katodista ja levyt se anodiin, muodostaen dendriittejä. Ylilataaminen katkaisujännitteen alla voi liuottaa kuparivirtakeräimen, mikä luo kuparisuntteja, jotka sulkevat solun. Suojapiirit (akunhallintajärjestelmät, BMS) on suunniteltu estämään molemmat olosuhteet, mutta komponenttien vika tai ohjelmistovikoja voi ohittaa ne.

Lämpörasitus

Lämpö nopeuttaa jokaista hajoamisreaktiot sisällä akku. Toimii 45 °C leikkaa syklin noin puoli. Äärimmäiset lämpötilat yli 60 °C . Voit aiheuttaa erotin kutistua tai sulaa, johtaa suoraan sisäisiin shortsit. Kylmä lämpötilat hidastaa kemiallisia reaktioita, mutta lisää sisäistä kestävyyttä, joten nopea lataus todennäköisesti aiheuttaa litium pinnoitus.

Fyysinen väärinkäyttö

Laitteen pudottaminen voi painaa solukuorta tai siirtää sisäisiä kerroksia. Akun (esim. neulalla tai terävällä esineellä) lävistäminen aiheuttaa lähes aina väkivaltaisen oikosulun. Jopa toistuva tärinä voi väsyttää sisäiset yhteydet ajan mittaan. Käyttäjien ei pidä koskaan yrittää avata, pakata tai muokata akkua.

Ikääntyminen ja kalenteri Elämä

Kaikki litiumakut hajoavat silloinkin, kun niitä ei ole säilytetty. Kohonneet lataustasot (100% lataustila) ja korkeat lämpötilat nopeuttavat kalenterin vanhenemista. Akun säilyttäminen 40%:lla latauksesta ja 15 °C minimoi kapasiteetin menetyksen useiden kuukausien aikana. Siksi valmistajat lähettävät uusia laitteita 50...60% latausta ... se säilyttää akun varastoinnin aikana.

Nykyaikaisiin paristoihin rakennetut turvallisuusmekanismit

Akunhallintajärjestelmä (BMS)

BMS on akun aivot. Se valvoo solujen jännitettä, virtaa ja lämpötilaa. Se katkaisee latauksen, kun solu saavuttaa maksimijännitteen, tasapainottaa soluja pitämään ne tasa-arvoisina ja irrottaa pakkauksen, jos lämpötila ylittää turvallisen kynnyksen. Laadukas BMS-laiteohjelma seuraa myös terveydentilaa ja voi havaita mahdollisia epäonnistumisia.

Positiivinen lämpötilakerroin (PTC)

PTC on resetable sulake, joka lisää vastusta voimakkaasti, kun virta ylittää rajan. Se suojaa ulkoisilta shortseilta esimerkiksi, jos laite. Latausporttia on oikosulku ulkomaisella esineellä. Kun vika on poistettu ja PTC jäähtyy, se jatkaa normaalia toimintaa.

Nykyinen keskeytyslaite (CID)

Monissa sylinterimäisissä soluissa on CID, joka irrottaa solun pysyvästi sisäisen yhteyden, jos kaasunpaine nousee vaaralliselle tasolle. Tämä tarjoaa viimeisen linjan suojan karanneita vastaan ennen kuin turvaventtiili aukeaa.

Ilmanvaihto- ja murronvastuslevy

Jos sisäinen paine muuttuu äärimmäiseksi (kaasun tuotannosta alkaen), pisteellinen alue tai tuuletusaukko avautuu kaasujen vapauttamiseksi hallittuun suuntaan. Tämä estää solukuoren räjähtämisen. Pussisoluissa sinetti voi avautua heikossa kohdassa.

Ennaltaehkäisevät toimenpiteet ja parhaat käytännöt

Käyttäjät voivat vähentää merkittävästi akun vikaantumisen riskiä seuraavien ohjeiden avulla:

  • Käytä sertifioituja latureita ja kaapeleita.[ Jälkimarkkinointituotteet eivät välttämättä noudata oikeaa latausprofiilia tai niillä ei välttämättä ole asianmukaisia turvallisuustodistuksia. Etsi UL-, CE- tai muita alueellisia merkkejä.
  • Älä jätä laitteita suoraan auringonvaloon, kuumaan autoon tai lämmönlähteiden läheisyyteen. Samoin, vältä lataamista jäädytysolosuhteissa . Jos laite on kylmä, anna sen lämmetä ensin.
  • ]Älä lataa liikaa.[[] Nykyaikaiset laitteet latautuvat 100 prosenttiin, mutta niiden pitäminen kiinni viikkoja voi korostaa akkua. Irrota virta, kun se on ladattu kokonaan, ja harkitse akun käyttöönottoa siten, että lataus rajataan 80 prosenttiin päivittäisessä käytössä.
  • Vaihda turvonneet tai vanhenevat paristot nopeasti.[] Jos huomaat laitteen kotelon pullistuvan, akun ovi ei sulje huuhtelua tai epätavallisen lyhyitä ajoaikoja, laita akku korvattu pätevällä teknikolla. Älä yritä puhkaista tai hävittää turvonnutta akkua normaalissa roskiksessa.
  • Akkuja oikein.[] Laitteiden, joita et käytä usein (esim. varatietokone), tallentaa akun noin 40 ... 60 % lataus viileässä kuivassa paikassa. Tämä minimoi kalenterin vanhenemisen.
  • Tarkista fyysiset vauriot.[ Jos laite on pudotettu kovaa, etsi lommoja tai pullistumat. Vaikka laite toimisi edelleen, sisäisiä vaurioita voi olla olemassa.
  • Seuraa valmistajan ohjeita.[ Käytä vain laitteellesi määriteltyjä varaparistoja. Kolmansien osapuolten paristoissa ei välttämättä ole samanlaisia turvasuojauksia.

Päätelmä: Polku eteenpäin

Litium-ioniteknologia kehittyy edelleen. Uudet katodikemistit, kuten litium-rauta-fosfaatti (LFP), ovat luonnostaan turvallisempia ja vähemmän alttiita lämpöhuuruille. Kiinteätilaiset paristot . Yhä kehitteillä . Neste-elektrolyytti korvataan kiinteällä erotuslaitteella, joka käytännössä eliminoi dendriitin muodostumisen ja parantaa huomattavasti turvallisuutta. Samalla paremmat BMS-algoritmit ja tuotannon laadunvalvonnan tiukentaminen vähentävät vikalukuja. Toistaiseksi yhteisten vikatilojen ymmärtäminen ja meluntorjuntakäytäntöjen noudattaminen on paras tapa nauttia kannettavien elektronisten laitteiden hyödyistä ilman tarpeetonta riskiä.

Lisätietoja paristojen turvallisuudesta ja vika-analyysistä on [-paristoyliopiston artikkelissa Li-ion-turvallisuudesta, -IEEE-taajuusraportissa litium-ion-paristojen paloista[] ja [-opas akkujen turvallisuustestauksesta[. Näiden resurssien ymmärtäminen voi auttaa sekä kuluttajia että suunnitteluinsinöörejä lieventämään edellä kuvattuja riskejä.