उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में लिथियम बैटरी के विफलता मोड

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में लिथियम बैटरियों के सामान्य विफलता मोड

लिथियम आयन और लिथियम-पॉलिमर बैटरी आज लगभग हर पोर्टेबल उपभोक्ता डिवाइस को बिजली देती है, स्मार्टफोन और लैपटॉप से लेकर वायरलेस इयरबड्स और टैबलेट तक। उनके उच्च ऊर्जा घनत्व और सैकड़ों बार रिचार्ज करने की क्षमता ने उन्हें अनिवार्य बना दिया है। फिर भी ये समान सिस्टम कई मायनों में विफल हो सकते हैं, कभी-कभी नाटकीय रूप से। यह समझना कि वे कैसे और क्यों विफल होते हैं, उपयोगकर्ता डिवाइस जीवन को बढ़ाते हैं, दुर्घटनाओं को रोकते हैं और सुरक्षित उत्पाद चुन सकते हैं। नीचे हम प्राथमिक विफलता मोड, उनके रूट कारण और आप जोखिम को कम करने के लिए क्या कर सकते हैं।

1. क्षमता फेडे और आयु-संबंधित गिरावट

क्षमता हानि बैटरी गिरावट का सबसे आम और पूर्वानुमान योग्य रूप है। हर चार्ज-डिस्चार्ज चक्र अपरिवर्तनीय रासायनिक परिवर्तन का कारण बनता है। ठोस-इलेक्ट्रोलाइट अंतरचरण (SEI) परत बढ़ती है, सक्रिय लिथियम का उपभोग करती है। इलेक्ट्रोलाइट सॉल्वैंट्स विघटित होते हैं, और कैथोड सामग्री संरचनात्मक अखंडता खो देती है। समय के साथ इन प्रभावों को बैटरी की दुकान की मात्रा को कम कर सकते हैं। उपयोगकर्ता 300-500 पूर्ण चक्रों के बाद अक्सर चार्ज के बीच कम रन टाइम को नोटिस करते हैं। कैलेंडर उम्र बढ़ने (समय) भी योगदान देता है, भले ही बैटरी उपयोग में न हो। उच्च तापमान इस प्रक्रिया में काफी तेजी लाते हैं, यही कारण है कि गर्मी बैटरी जीवनकाल का दुश्मन है।

2. आंतरिक शॉर्ट सर्किट और डेंड्राइट फॉर्मेशन

आंतरिक शॉर्ट्स तब होते हैं जब सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड सीधे सेल के अंदर स्पर्श करते हैं। विनिर्माण दोष - जैसे कि धातु कण संदूषण या खराब विभाजक गुणवत्ता - प्रारंभिक शॉर्ट्स का कारण बन सकता है। अधिक आक्रामक हैं: सूक्ष्म, पेड़ जैसी धातु लिथियम की जमा जो तेजी से चार्ज या ओवरचार्जिंग के दौरान बढ़ती है। डेंड्राइट्स पतली बहुलक विभाजक को छेद कर सकते हैं, जिससे कम प्रतिबाधा पथ पैदा हो सकता है जिससे स्थानीय ताप हो सकता है। यदि शॉर्ट काफी बड़ा है, तो यह थर्मल रनवे को ट्रिगर कर सकता है। कई बैटरी यादों को आंतरिक शॉर्ट्स के लिए निशाना बनाया गया है जिसके परिणामस्वरूप अपूर्ण विनिर्माण प्रक्रियाओं से उत्पन्न होता है।

3. थर्मल रनवे

थर्मल रनवे सबसे खतरनाक विफलता मोड है। यह शुरू होता है जब आंतरिक गर्मी उत्पादन गर्मी को फैलाने की बैटरी की क्षमता से अधिक हो जाता है। तापमान बढ़ जाता है, सेल के अंदर exothermic प्रतिक्रियाओं को तेज करता है। इलेक्ट्रोलाइट अपघटन ज्वलनशील गैसों को छोड़ देता है, और विभाजक सिकुड़ता है या पिघलता है, जिससे अधिक आंतरिक शॉर्ट्स उत्पन्न हो सकते हैं। यह कैस्केड आग, विस्फोट और जहरीले धुएं के वेंटिंग का कारण बन सकता है। ओवरचार्जिंग एक आम ट्रिगर है: पूरी तरह से चार्ज सेल में अधिक ऊर्जा को मजबूर करने के कारण लिथियम चढ़ाना और गर्मी की पीढ़ी होती है। बाहरी गर्मी स्रोतों (जैसे, एक गर्म कार में एक उपकरण छोड़ दिया) और यांत्रिक क्षति (पंक्चर, क्रश भी शामिल नहीं है।

4. वोल्टेज डिप्रेशन और "सॉफ्ट" शॉर्ट्स

सभी शॉर्ट्स catastrophic नहीं हैं। एक "सॉफ्ट" शॉर्ट मामूली इलेक्ट्रोड misalignment या मामूली संदूषण से परिणाम हो सकता है, जिससे सामान्य स्व-डिस्चार्ज रेट से अधिक हो सकता है। बैटरी अभी भी काम कर सकती है लेकिन निष्क्रिय होने पर एक तेजी से वोल्टेज ड्रॉप दिखा सकती है। समय के साथ यह बहु-सेल पैक में सेल असंतुलन की ओर ले सकता है, प्रयोज्य क्षमता को कम कर सकता है और समय से पहले बंद हो सकता है। शीतल शॉर्ट्स सावधानीपूर्वक निगरानी सर्किटरी के बिना पता लगाने के लिए मुश्किल है।

5. गैस जनरेशन और सूजन

लिथियम-पॉलिमर बैटरी अक्सर सूजन होती है जब आंतरिक गैसों को इलेक्ट्रोलाइट अपघटन या नमी प्रवेश द्वारा उत्पादित किया जाता है। थैली सेल विस्तारित होता है, डिवाइस आवास के खिलाफ धक्का देता है। जबकि सूजन का मतलब हमेशा आसन्न विफलता नहीं होता है, यह दबाव निर्माण और इलेक्ट्रोलाइट के संभावित नुकसान को इंगित करता है। सूजन बैटरी टूट सकती है और अगर पेंच हो तो रासायनिक जलने या आग का कारण बन सकती है। यह मोड विशेष रूप से उम्र बढ़ने वाले लैपटॉप और फोन बैटरी में आम है जो गर्मी या शारीरिक तनाव से अवगत हो गया है।

विफलता के कारण

विनिर्माण दोष

यहां तक कि अच्छी तरह से नियंत्रित कारखानों में, धातु या धूल के सूक्ष्म कण कोशिकाओं को दूषित कर सकते हैं। ये कण असेंबली के दौरान इलेक्ट्रोड को आकर्षित कर सकते हैं और अंततः शॉर्ट्स का कारण बन सकते हैं। खराब इलेक्ट्रोड कोटिंग एकरूपता, अपर्याप्त सुखाने और कमजोर विभाजक आसंजन अन्य संभावित दोष हैं। बड़े पैमाने पर याद - जैसे 2016 सैमसंग गैलेक्सी नोट 7 घटनाएं - अंततः प्रक्रिया दोषों के निर्माण के लिए पता लगाया गया था जो टैब पर इलेक्ट्रोड को कम करने की अनुमति देता था।

ओवरचार्जिंग और ओवर-डिस्चार्जिंग

लिथियम बैटरी को एक सख्त वोल्टेज विंडो के भीतर रखा जाना चाहिए, आमतौर पर प्रति सेल 2.5-4.2 वी। ऊपरी सीमा (ओवरचार्जिंग) से बाहर कैथोड से लिथियम को स्ट्रिप्स करता है और इसे एनोड पर प्लेट करता है, जिससे डेंड्राइट्स बन जाता है। कटऑफ वोल्टेज के नीचे ओवर-डिस्चार्जिंग तांबे के वर्तमान कलेक्टर को भंग कर सकता है, जिससे तांबा शंट्स को कम किया जा सकता है। प्रोटेक्शन सर्किट (बैटरी प्रबंधन प्रणाली, बीएमएस) को दोनों स्थितियों को रोकने के लिए डिज़ाइन किया गया है, लेकिन घटक विफलता या सॉफ्टवेयर बग उन्हें बायपास कर सकते हैं।

थर्मल तनाव

हीट एक बैटरी के अंदर हर गिरावट प्रतिक्रिया को तेज करता है। 25 °C की तुलना में 45 °C में चक्र जीवन को मोटे तौर पर आधे में काट देता है। चरम तापमान - 60 °C से ऊपर - विभाजक को सिकुड़ने या पिघलाने का कारण बन सकता है, जिससे सीधे आंतरिक शॉर्ट्स तक पहुंच सकता है। शीत तापमान धीमी रासायनिक प्रतिक्रियाओं को धीमा कर देता है लेकिन आंतरिक प्रतिरोध को बढ़ाता है, जिससे लिथियम चढ़ाना को प्रेरित करने की अधिक संभावना होती है।

शारीरिक दुर्व्यवहार

एक उपकरण को छोड़ने से सेल के आवरण को डेंट कर सकता है या आंतरिक परतों को बदल सकता है। एक बैटरी (जैसे, सुई या तेज वस्तु के साथ) को बंद करना लगभग हमेशा एक हिंसक लघु का कारण बनता है। यहां तक कि बार-बार कंपन समय के साथ आंतरिक कनेक्शन को थकान दे सकता है। उपयोगकर्ताओं को बैटरी पैक खोलने, संपीड़ित करने या संशोधित करने का कभी प्रयास नहीं करना चाहिए।

आयु और कैलेंडर लाइफ

सभी लिथियम बैटरी का उपयोग करने पर भी गिरावट आई है। एलिवेटेड चार्ज स्तर (100 % चार्ज राज्य) और उच्च तापमान कैलेंडर उम्र बढ़ने में तेजी लाते हैं। 40 % चार्ज पर बैटरी को संग्रहीत करना और 15 °C कई महीनों में क्षमता हानि को कम करता है। यही कारण है कि निर्माता 50-60 % चार्ज पर नए उपकरणों को जहाज करते हैं - यह भंडारण के दौरान बैटरी को संरक्षित करता है।

सुरक्षा तंत्र आधुनिक बैटरियों में निर्मित

बैटरी प्रबंधन प्रणाली (BMS)

BMS एक बैटरी पैक का मस्तिष्क है। यह सेल वोल्टेज, वर्तमान और तापमान की निगरानी करता है। जब कोई सेल अधिकतम वोल्टेज तक पहुंच जाता है तो यह चार्जिंग को काट देता है, सेल को समान रखने के लिए संतुलन देता है, और यदि तापमान सुरक्षित सीमा से अधिक हो तो पैक को डिस्कनेक्ट करता है। उच्च गुणवत्ता वाले BMS फर्मवेयर स्वास्थ्य की स्थिति को भी ट्रैक करता है और संभावित विफलताओं को झंडा कर सकता है।

सकारात्मक तापमान गुणांक (PTC) डिवाइस

एक PTC एक रिसेटेबल फ्यूज है जो तेजी से प्रतिरोध को बढ़ाता है जब वर्तमान सीमा से अधिक हो जाता है। यह बाहरी शॉर्ट्स के खिलाफ सुरक्षा करता है - उदाहरण के लिए, यदि डिवाइस का चार्जिंग पोर्ट विदेशी वस्तु से छोटा है। एक बार गलती को हटा दिया जाता है और PTC ठंडा होने पर यह सामान्य ऑपरेशन शुरू हो जाता है।

वर्तमान इंटरप्ट डिवाइस (CID)

कई बेलनाकार कोशिकाओं में एक CID होता है जो स्थायी रूप से सेल के आंतरिक कनेक्शन को डिस्कनेक्ट करता है यदि गैस का दबाव खतरनाक स्तर तक बना रहता है। यह सुरक्षा वेंट खोलने से पहले रनवे के खिलाफ अंतिम-लाइन सुरक्षा प्रदान करता है।

वेंट और बर्स्ट डिस्क

यदि आंतरिक दबाव चरम (गैस पीढ़ी से) हो जाता है, तो एक रन बनाए गए क्षेत्र या वेंट एक नियंत्रित दिशा में गैसों को जारी करने के लिए खुलता है। यह सेल के आवरण को विस्फोट से रोकता है। पाउच कोशिकाओं में सील कमजोर बिंदु पर खुल सकती है।

निवारक उपाय और सर्वश्रेष्ठ अभ्यास

उपयोगकर्ता इन दिशानिर्देशों का पालन करके बैटरी विफलता के जोखिम को काफी कम कर सकते हैं:

• ]Use प्रमाणित चार्जर्स और केबल. Aftermarket उत्पाद सही चार्जिंग प्रोफाइल का सम्मान नहीं कर सकते हैं या उचित सुरक्षा प्रमाणपत्र की कमी हो सकती है। UL, CE, या अन्य क्षेत्रीय अंक के लिए देखो।
• Avoid extreme temperature. एक गर्म कार में, या गर्मी के स्रोतों के पास सीधे सूर्य के प्रकाश में उपकरणों को नहीं छोड़ें। इसी तरह, ठंड की स्थिति में चार्ज करने से बचें - यदि डिवाइस ठंडा हो जाए तो इसे पहले गर्म करने दें।
• ]Wikt overcharge. आधुनिक उपकरण 100 % पर चार्ज बंद, लेकिन उन्हें सप्ताह के लिए प्लग में रखने बैटरी तनाव कर सकते हैं। एक बार पूरी तरह से आरोप लगाया, और बैटरी-अनुकूलन सुविधाओं पर मोड़ पर विचार करें जो दैनिक उपयोग के लिए 80 % तक चार्ज को सीमित करते हैं।
• ]] तुरंत स्वॉलेन या उम्र बढ़ने वाली बैटरी को बदलें। यदि आप डिवाइस के आवरण को देखते हैं, तो बैटरी का दरवाजा फ्लश बंद नहीं होता है, या असामान्य रूप से शॉर्ट रन टाइम में बैटरी को एक योग्य तकनीशियन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। सामान्य कचरा में एक सूजन बैटरी को पंचर या निपटान करने का प्रयास न करें।
• ]स्टोर बैटरी ठीक से उपकरणों के लिए आप अक्सर उपयोग नहीं करते (उदाहरण के लिए, बैकअप लैपटॉप), बैटरी के साथ एक शांत, शुष्क जगह में लगभग 40 - 60 % चार्ज पर स्टोर करते हैं। यह कैलेंडर उम्र बढ़ने को कम करता है।
• ] शारीरिक क्षति के लिए निरीक्षण यदि किसी उपकरण को कड़ी मेहनत से गिरा दिया गया है, तो dents या bulges की तलाश करें। भले ही डिवाइस अभी भी काम करता है, तो आंतरिक क्षति मौजूद हो सकती है।
• ]Follow निर्माता दिशानिर्देश. अपने डिवाइस के लिए निर्दिष्ट केवल प्रतिस्थापन बैटरी का उपयोग करें। तीसरे पक्ष की बैटरी में समान सुरक्षा सुरक्षा सुरक्षा नहीं हो सकती है।

निष्कर्ष: पथ फॉरवर्ड

लिथियम आयन प्रौद्योगिकी विकसित करना जारी रखता है। लिथियम आयन फॉस्फेट (LFP) जैसे नए कैथोड रसायन शास्त्र स्वाभाविक रूप से सुरक्षित और थर्मल रनवे के लिए कम प्रवण हैं। ठोस राज्य बैटरी - अभी भी विकास में - एक ठोस विभाजक के साथ तरल इलेक्ट्रोलाइट को प्रतिस्थापित करती है, जो लगभग डेंड्राइट गठन को समाप्त करती है और सुरक्षा में काफी सुधार करती है। इस बीच, बेहतर बीएमएस एल्गोरिदम और अधिक कठोर विनिर्माण गुणवत्ता नियंत्रण दोष दरों को कम कर रहे हैं। अब के लिए, सामान्य विफलता मोड को समझने और ध्वनि सुरक्षा प्रथाओं का पालन करने का सबसे अच्छा तरीका है अनावश्यक जोखिम के बिना पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के लाभों का आनंद लें।

बैटरी सुरक्षा और विफलता विश्लेषण पर आगे पढ़ने के लिए, देखें बैटरी विश्वविद्यालय लेख Li-ion सुरक्षा चिंताओं], ]IEE स्पेक्ट्रम रिपोर्ट लिथियम आयन बैटरी आग , और UL गाइड बैटरी सुरक्षा परीक्षण]]. इन संसाधनों को समझना उपभोक्ताओं और डिजाइन इंजीनियरों दोनों को ऊपर वर्णित जोखिमों को कम करने में मदद कर सकते हैं।