消費者電子のリチウム電池の故障モード

消費者電子のリチウム電池の一般的な故障モード

リチウムイオンとリチウムポリマー電池は、スマートフォンやノートパソコンからワイヤレスイヤホンやタブレットまで、今日のほぼすべてのポータブルコンシューマデバイスに電力を供給しています。それらの高エネルギー密度と数回再充電する能力は、それらに不可欠になりました。しかし、これらの同じシステムは、時々、いくつかの方法で失敗することができます。彼らが失敗する方法と理由を理解すると、彼らは、デバイス寿命を延ばし、事故を防ぎ、より安全な製品を選択するのに役立ちます。以下では、プライマリ障害モード、それらの根本原因、およびあなたがリスクを軽減するためにできることを調べます。

1. 容量の衰退および年齢---評価される低下

容量損失は、バッテリー劣化の最も一般的な予測可能な形態です。充電サイクルごとに、不可逆的な化学変化を引き起こします。固体電解質間相(SEI)層が成長し、活性リチウムを消費します。電解溶剤分解、および陰極材料は、構造的完全性を失います。時間の経過とともに、これらの効果は、バッテリーが保存できるエネルギーの量を減らす。ユーザーは、充電間の短い実行時間に気づくと、多くの場合、300〜500フルサイクル後に。カレンダー老化(時間)は、バッテリーが大幅に上昇するが、なぜ、この寿命が加速されるかは、この寿命が大幅に上昇します。

2. 内部短絡およびDendriteの形成

内部の不足は、正極および負の電極が細胞内で直接触れるとき起こります。金属粒子の汚染や分離不能な品質などの製造欠陥は、早期の不足を引き起こす可能性があります。より悪質なものは、微小な、高速充電または過充電中に成長する金属リチウムの樹状のような預金です。 Dendritesは、薄いポリマー分離器を貫通し、ローインピーダンスパスを作成してローカライズされた加熱につながることができます。短時間で、それが十分な量の電池を摂取するのは、十分な短時間で、それが製造する。

3. 熱暴走

熱暴走は最も危険な故障モードです。内部熱生成が電池の能力を過渡させるとき始まります。温度上昇、細胞内の外傷反応を加速します。電解分解は可燃性ガスを解放し、分離器は収縮するか、または溶かします、より多くの内部の不足を引き起こします。このカスケードは、火災、爆発、および有毒煙の発生につながります。過充電は、一般的な発熱器です(リチウム排出ガス)。また、この発熱器は、複数の発熱器を発生させません。

4. 電圧減圧および「柔らかい」不足分

あらゆる欠点は、大惨事です。「ソフト」の短距離は、わずかな電極の不整列またはマイナーな汚染から生じる可能性があるため、通常の自己放電率よりも高い。バッテリーは、まだ動作するかもしれませんが、アイドル時に急速電圧低下が表示されます。時間が経つにつれて、マルチセルパックの細胞不均衡を引き起こし、使用可能な容量を減らし、早期操業停止を引き起こします。ソフトショートパンツは、慎重に監視回路なしで検出するのは困難です。

5. ガス発生・膨張

リチウムポリマー電池は、内部ガスが電解分解または湿気の侵入によって生成されるとき、よく膨らみます。ポーチセルは、デバイスハウジングをプッシュする、拡大します。腫れは常に著しい故障を意味しませんが、それは圧力蓄積と電解物の損失を意味します。腫れ電池は、穿刺された場合、化学的バーンや火災を引き起こす可能性があります。このモードは、特に熱または物理的なストレスにさらされているラップトップや携帯電話電池を老化させることで一般的です。

不正原因の不正原因

製造欠陥

十分に制御された工場でも、金属またはほこりの微小粒子は、細胞を汚染することができます。これらの粒子は、アセンブリの間に電極に引き付けられ、最終的には不足を引き起こす可能性があります。電極コーティングの均一性、不十分な乾燥、および弱い分離器接着は、他の潜在的な欠陥です。大規模なリコール - そのような2016サムスンギャラクシーノート7事件のような - 電極がタブで短くすることを可能にする製造プロセス欠陥に最終的に追跡されました。

過充電とオーバーディスチャリング

リチウム電池は、通常、2.5〜4.2 Vの厳しい電圧ウィンドウ内に保持しなければなりません。上部の限界(過充電)を抜くと、陰極からリチウムを除去し、デインドライトを形成し、陽極にそれをプレートします。カットオフ電圧の下の過剰排出は、銅電流コレクターを分解し、細胞を短くする銅の分泌物を生成できます。保護回路(電池管理システム、BMS)は、両方の条件を防ぐように設計されていますが、コンポーネントの故障またはバグをそれらに渡すことができます。

サーマルストレス

熱は電池内のあらゆる劣化反応を加速します。 45 °C で作動すると、約半分のサイクル寿命が 25 °C と比較してカットされます。極端な温度 — 60 °C を超える - 分離器が収縮したり、溶かすしたり、内部の短距離に直接誘導したりする可能性があります。低温は化学反応を遅くしますが、内部抵抗を増加させ、リチウムめっきを誘発する可能性が高い高速充電を実現します。

物理的な虐待

デバイスをドロップすると、セルケーシングや内部レイヤーをシフトすることができます。バッテリー(針や鋭いオブジェクトなど)をパンクすることは、ほぼ常に激しく短くなります。繰り返し振動でさえ、内部接続を時間をかけて疲れさせる可能性があります。ユーザーは、バッテリーパックの開封、圧縮、または変更を試みることはありません。

年齢とカレンダーの人生

未使用の蓄えられた場合でも、すべてのリチウム電池は劣化します。関連する充電レベル(100パーセントの充電状態)と高温は、カレンダーの老化を加速します。バッテリーを40 %の充電で抑え、数か月にわたって容量損失を最小限に抑えます。そのため、メーカーは50〜60 %の充電で新しいデバイスを出荷するので、ストレージ中にバッテリーを節約できます。

安全メカニズムは、現代の電池に内蔵

バッテリー管理システム(BMS)

BMSは、バッテリーパックの脳です。それは、細胞の電圧、電流、温度を監視します。それは、任意のセルが最大の電圧に達すると充電を切断し、セルのバランスをとり、温度が安全なしきい値を超えた場合は、パックを切断します。高品質のBMSファームウェアは、健康状態を追跡し、潜在的な故障をフラグすることができます。

正温度係数(PTC)装置

PTC は、電流が限界を超えたときに抵抗を鋭く増加させるリセット可能なヒューズです。たとえば、デバイスの充電ポートが外物で不足している場合など、外部のショートカットから保護します。故障が削除され、PTC が冷却されると、通常の動作が再開されます。

現在の中断された装置(CID)

多くの円筒状細胞には、ガス圧力が危険なレベルに構築する場合、細胞の内部接続を永久に切断するCIDが含まれています。これは、安全ベントが開いている前に、暴走に対する最後のライン防衛を提供します。

ベントとバーストディスク

内部圧力が極端に(ガス発生から)なれば、スコアド領域またはベントは制御された方向のガスを解放するために開けます。これは細胞の包装をexplodingから防ぎます。袋の細胞ではシールは弱いポイントで開くかもしれません。

予防措置とベストプラクティス

ユーザーは、これらのガイドラインに従うことによって、バッテリーの故障のリスクを大幅に削減することができます。

[]認定充電器とケーブルを使用します。[アフターマーケット製品は、正しい充電プロファイルを尊重したり、適切な安全認証を欠くことはできません。 UL、CE、または他の地域のマークを探してください。
[]極端な温度を空にします。[]]は、直射日光、ホットカー、または熱源の近くでデバイスを離れないでください。同様に、凍結条件で充電を避けてください。デバイスが冷えている場合、最初にウォームアップしてください。
[を過充電しないでください。[]]]モダンデバイスは100%で充電を停止しますが、数週間に差し込まれたままバッテリーをストレスにすることができます。十分に充電されたら、毎日使用するために80%に充電するバッテリー - 最適化機能のオンにすることを検討してください。
[]スワレンまたは老化電池を速やかに置き換えます。[[]]])あなたは、デバイスが膨らみをケーシング、または異常に短い実行時間を閉じていないバッテリードアに気付いた場合は、バッテリーは、認定技術者に交換しました。通常のゴミ箱に腫れたバッテリーをパンクまたは分解しようとしないでください。
[ 電池を適切に保存します。]] 頻繁に使用しないデバイス(バックアップノートパソコンなど)では、バッテリーを40〜60 %程度で冷やかで乾燥した場所で保存します。この最小限のカレンダーの老化。
[] 物理的な損傷の検査。[]] デバイスが硬い場合は、デントやブルグを探します。デバイスがまだ機能しても、内部の損傷が起こることがあります。
[]Followメーカーガイドライン。[]]]は、お使いのデバイスに指定された交換電池のみを使用してください。サードパーティ製バッテリーは、同一の安全保護を持っていない場合があります。

結論: パスフォワード

リチウムイオン技術は進化し続けています。リチウム-鉄-リン酸塩(LFP)などの新しい陰極化学品は、熱の暴走に本質的に安全であり、より少ない傾向にあります。固体-状態の電池 - 開発中 - 液体を固体分離器に交換し、事実上デドライトの形成を除去し、大幅に安全を改善します。一方、より良いBMSアルゴリズムとより厳しい製造品質管理は、欠陥率を削減しています。今、電子的問題の危険性を防止する、および最高の安全方法の有効性を享受します。

バッテリーの安全と故障解析に関するさらなる読書については、リチウムイオン電池の火災]のバッテリー大学の記事を参照してください。 ]]、 []]。リチウムイオン電池の火災に関するIEEEスペクトルレポート[、および[[ULガイド]。これらのリソースを理解することは、消費者と設計エンジニアが上記のリスクを緩和するのに役立ちます。