Режимы отказа литиевых батарей в потребительской электронике

Литий-ионные и литий-полимерные батареи сегодня питают почти каждое портативное потребительское устройство, от смартфонов и ноутбуков до беспроводных наушников и планшетов. Их высокая плотность энергии и способность перезаряжаться сотни раз сделали их незаменимыми. Тем не менее, эти же системы могут потерпеть неудачу несколькими способами, иногда резко. Понимание того, как и почему они выходят из строя, помогает пользователям продлить срок службы устройства, предотвратить несчастные случаи и выбрать более безопасные продукты. Ниже мы исследуем основные режимы отказа, их коренные причины и то, что вы можете сделать, чтобы смягчить риски.

1. Упадок потенциала и возрастная деградация

Потеря емкости является наиболее распространенной и предсказуемой формой деградации батареи. Каждый цикл заряда-разряда вызывает необратимые химические изменения. Растет слой междуфазного твердого электролита (SEI), потребляющий активный литий. Растворители электролита разлагаются, а катодные материалы теряют структурную целостность. Со временем эти эффекты уменьшают количество энергии, которое может хранить батарея. Пользователи замечают более короткое время работы между зарядами, часто после 300-500 полных циклов. Старение календаря (время) также способствует, даже когда батарея не используется. Высокие температуры значительно ускоряют этот процесс, поэтому тепло является врагом срока службы батареи.

2. Внутренние короткие цепи и формирование дендритов

Внутренние шорты возникают, когда положительные и отрицательные электроды касаются непосредственно внутри клетки. Производственные дефекты — такие как загрязнение металлическими частицами или плохое качество сепаратора — могут вызвать ранние шорты. Более коварными являются дендриты: микроскопические, древовидные отложения металлического лития, которые растут во время быстрой зарядки или перезарядки. Дендриты могут пробить тонкий полимерный сепаратор, создавая путь низкого давления, который приводит к локализованному нагреву. Если шорт достаточно большой, он может вызвать тепловой бег. Многие отзывы батарей были прослежены до внутренних шорт, возникающих в результате несовершенных производственных процессов.

3.Тепловое бегство

Термический бегство является наиболее опасным режимом отказа. Он начинается, когда внутренняя выработка тепла превышает способность батареи рассеивать тепло. Температура повышается, ускоряя экзотермические реакции внутри ячейки. Разложение электролита выделяет легковоспламеняющиеся газы, а сепаратор сжимается или плавится, вызывая больше внутренних шорт. Этот каскад может привести к пожару, взрыву и вентиляции токсичных паров. Перезарядка является общим триггером: заставляя больше энергии в полностью заряженную ячейку вызывает покрытие литием и генерацию тепла. Внешние источники тепла (например, оставляя устройство в горячем автомобиле) и механические повреждения (прокол, дробление) также инициируют бегство. Современные устройства включают в себя множество мер предосторожности для предотвращения этого, но ни одна система не является отказоустойчивой.

4.Напряженная депрессия и «мягкие» шорты

Не все шорты являются катастрофическими. "мягкий" шорт может быть результатом легкого смещения электродов или незначительного загрязнения, вызывая более высокую, чем обычно, скорость саморазряда. Батарея может все еще работать, но будет демонстрировать быстрое падение напряжения при бездействии. Со временем это может привести к дисбалансу клеток в многоклеточных упаковках, снижению полезной емкости и преждевременному отключению. Мягкие шорты трудно обнаружить без тщательного мониторинга схемы.

5. Газообразование и отечность

Литий-полимерные батареи часто набухают, когда внутренние газы производятся разложением электролита или проникновением влаги. Сумочная ячейка расширяется, отталкиваясь от корпуса устройства. Хотя отек не всегда означает неизбежный отказ, он указывает на нарастание давления и возможную потерю электролита. Опухшие батареи могут разрываться и вызывать химические ожоги или пожар, если проколоты. Этот режим особенно распространен в стареющих батареях ноутбука и телефона, которые подверглись воздействию тепла или физического напряжения.

Коренные причины неудач

производственные дефекты

Даже на хорошо контролируемых заводах микроскопические частицы металла или пыли могут загрязнять клетки. Эти частицы могут притягиваться к электродам во время сборки и в конечном итоге вызывать шорты. Плохое однородность покрытия электродов, неадекватная сушка и слабая адгезия сепаратора являются другими потенциальными дефектами. Крупномасштабные воспоминания, такие как инциденты с Samsung Galaxy Note7 2016 года, в конечном итоге были прослежены до недостатков производственного процесса, которые позволили электродам сокращаться на вкладках.

Перезарядка и перезарядка

Литиевые батареи должны храниться в строгом окне напряжения, обычно 2,5-4,2 В на ячейку. Превышение верхнего предела (перезарядка) полоски лития из катода и пластины его на анод, образуя дендриты. Перезарядка ниже напряжения отсечки может растворить медный ток коллектор, создавая медные шунты, которые сокращают ячейку. Защитные схемы (системы управления батареями, BMS) предназначены для предотвращения обоих условий, но отказ компонентов или ошибки программного обеспечения могут обойти их.

Термический стресс

Тепло ускоряет каждую реакцию деградации внутри батареи. Работа при 45 °C сокращает срок службы примерно вдвое по сравнению с 25 °C. Экстремальные температуры - выше 60 °C - могут привести к тому, что сепаратор сжимается или тает, что приводит непосредственно к внутренним шортам. Холодные температуры замедляют химические реакции, но увеличивают внутреннее сопротивление, что делает быструю зарядку более вероятной для индуцирования литиевого покрытия.

Физическое насилие

Сброс устройства может вмять корпус ячейки или сместить внутренние слои. Прокалывание батареи (например, иглой или острым предметом) почти всегда вызывает сильную короткую. Даже повторная вибрация может утомить внутренние соединения с течением времени. Пользователи никогда не должны пытаться открыть, сжать или изменить аккумуляторную батарею.

Старение и календарная жизнь

Все литиевые батареи разлагаются даже при хранении неиспользованными. Повышенные уровни заряда (100 % состояния заряда) и высокие температуры ускоряют календарное старение. Хранение батареи при 40 % заряде и 15 °C минимизирует потерю емкости в течение многих месяцев. Вот почему производители поставляют новые устройства при 50-60% заряде — это сохраняет батарею во время хранения.

Механизмы безопасности, встроенные в современные батареи

Система управления батареями (BMS)

BMS — это мозг аккумуляторной батареи. Он контролирует напряжение, ток и температуру ячейки. Он отключает зарядку, когда любая ячейка достигает максимального напряжения, балансирует ячейки, чтобы они были равны, и отключает ячейку, если температура превышает безопасный порог. Высококачественное прошивка BMS также отслеживает состояние здоровья и может отмечать потенциальные сбои.

Устройство с положительным температурным коэффициентом (PTC)

PTC — это перезаряжаемый предохранитель, резко увеличивающий сопротивление при превышении лимита. Он защищает от внешних шорт — например, если порт зарядки устройства закорочен посторонним объектом. После устранения неисправности и охлаждения PTC возобновляет нормальную работу.

Устройство прерывания тока (CID)

Многие цилиндрические клетки содержат CID, который постоянно отключает внутреннее соединение клетки, если давление газа повышается до опасного уровня. Это обеспечивает защиту последней линии от сбежавшего до открытия предохранительного отверстия.

Vent and Burst Disc скачать

Если внутреннее давление становится экстремальным (от образования газа), забитая область или вентиляционное отверстие открывается для выпуска газов в контролируемом направлении. Это предотвращает взрыв корпуса ячейки. В ячейках-мешках уплотнение может открываться в слабой точке.

Профилактические меры и передовая практика

Пользователи могут значительно снизить риск отказа батареи, следуя этим рекомендациям:

  • Используйте сертифицированные зарядные устройства и кабели. Продукты вторичного рынка могут не соблюдать правильный профиль зарядки или могут не иметь надлежащих сертификатов безопасности.
  • Избегайте экстремальных температур. Не оставляйте устройства под прямыми солнечными лучами, в горячем автомобиле или вблизи источников тепла. Аналогично, избегайте зарядки в условиях замерзания — если устройство холодное, пусть оно сначала прогреется.
  • Не перегружайте. Современные устройства перестают заряжаться на 100 %, но их подключение в течение нескольких недель может напрячь батарею. Отключите один раз полностью заряженный и рассмотрите возможность включения функций оптимизации батареи, которые ограничивают заряд до 80 % для ежедневного использования.
  • Замените опухшие или стареющие батареи быстро. Если вы заметили выпуклость корпуса устройства, дверца батареи не закрывается, или необычно короткое время работы, замените батарею квалифицированным техником. Не пытайтесь проколоть или утилизировать опухшую батарею в обычном мусоре.
  • Храните батареи должным образом. Для устройств, которые вы не используете часто (например, резервный ноутбук), храните аккумулятор с зарядкой около 40-60% в прохладном, сухом месте.
  • Проверка на предмет физического повреждения. Если устройство было сильно сброшено, ищите вмятины или выпуклости. Даже если устройство все еще работает, может существовать внутреннее повреждение.
  • Следуйте рекомендациям производителя. Используйте только заменяющие батареи, указанные для вашего устройства.

Оригинальное название: The Path Forward

Литий-ионная технология продолжает развиваться. Новые катодные химии, такие как литий-железо-фосфат (LFP), по своей сути более безопасны и менее подвержены тепловому бегству. Твердотельные батареи - все еще в разработке - заменяют жидкий электролит твердым сепаратором, что практически исключает образование дендрита и резко повышает безопасность. Между тем, лучшие алгоритмы BMS и более строгий контроль качества производства снижают частоту дефектов. На данный момент понимание общих режимов отказа и следование разумным методам безопасности - лучший способ пользоваться преимуществами портативной электроники без ненужного риска.

Для дальнейшего чтения по безопасности батареи и анализу отказов см. статью Университета батареи по проблемам безопасности литий-ионных аккумуляторов , отчет IEEE Spectrum о пожарах литий-ионных аккумуляторов и руководство по тестированию безопасности аккумуляторов UL. Понимание этих ресурсов может помочь как потребителям, так и инженерам-конструкторам смягчить риски, описанные выше.