Загальні режими в’язання літієвих батарей у споживчій електроніці

Літієві‐іональні та літієво-полімерні акумулятори потужністю майже кожен портативний побутовий пристрій сьогодні, від смартфонів та ноутбуків до бездротових вухобудів та планшетів. Їх висока щільність енергії та можливість перезаряджати сотні разів зробили їх незамінними. Таких систем можна не в декількох шляхах, іноді різко. Розуміння того, як і чому вони не допомагають користувачам продовжити термін служби пристрою, запобігти нещасним випадку, а також вибрати безпечні продукти. Нижче ми досліджуємо основні режими збою, причини їхнього кореня, і які можна зробити для зниження ризиків.

1. Об'ємна деградація та вікова деградація

Збиток ємності є найбільш поширеною і передбачуваною формою деградації акумулятора. Кожен цикл заряду-розряду викликає незворотні хімічні зміни. Твердопаливний міжфазний (SEI) шар росте, споживає активний літієвий. Електролітні розчинники декомпозиції, а катодні матеріали втрачають структурну цілісність. Згодом ці ефекти зменшують кількість енергії, може зберігатися акумулятор. Користувачі помітили коротший час між зарядами, часто після 300-500 повного циклу. Календарний вік (разовий) також сприяє, навіть коли акумулятор не використовується. Високі температури прискорюють цей процес значно, тому тепло є ворогом автономної камери.

2. Внутрішнє коротке замикання та формування диктатуру

Внутрішні шорти виникають при позитивному і негативному електродах, що торкаються безпосередньо всередині клітини. Виготовлення дефектів — таких як металева забрудненість частинок або погана якість сепаратора — може викликати ранні шорти. Більш неспроможні — дендрати: мікроскопічні, деревоподібні відкладення металевої літію, які виростають під час швидкої зарядки або перезарядки. Дендити можуть проколити тонкий полімерний сепаратор, створюючи низький шлях, що призводить до локалізації опалення. Якщо короткий досить великий, це може викликати тепловий пробіг. Багато акумуляторів слід простежити внутрішні шорти, що виникли з недосконалих виробничих процесів.

3. Термічна ходова

Термопробіг є найбільш небезпечним режимом збою. Він починається, коли внутрішня генерація тепла перевищує здатність батареї відхиляти тепло. Температура піднімається, прискорює екзотермічні реакції всередині клітини. Електролітна декомпозиція випускає лляні гази, а сепаратор усаджує або розтоплює, викликаючи більш внутрішні шорти. Ця каскад може призвести до пожежі, вибуху, і вентиляцію токсичних фумів. Овердравляння є загальним тригером: для загартування більше енергії в повністю заряджену клітина викликає літію покриття і теплогенерацію. Зовнішні джерела тепла (наприклад, залишаючи пристрій в гарячому стані) і механічне пошкодження (поглиби)

4. Напруга Депресія та «Soft» Шорти

Не всі шорти є катастрофічним. Короткий «софт» може призвести до легкого електродного розмежування або незначного забруднення, що викликає більш високий рівень саморозряду. Акумулятор може працювати, але покаже швидке падіння напруги при свічці. Згодом це може призвести до порушення клітин в багатоклітинних пакетах, зменшуючи важку ємність і викликаючи передчасне відключення. М'які шорти важко виявити без ретельного контролю.

5. Генерація газу і набряк

Літієво-полімерні батареї часто набрякають, коли внутрішні гази виробляються електролітним декомпозиціям або вологою інгресою. Підсумкова клітина розширюється, відштовхується від корпусу пристрою. Хоча набряк не завжди є неперервною недостатністю, це вказує на на нарощування тиску і можливу втрату електроліту. Сварені батареї можуть розриватися і викликати хімічні опіки або вогонь, якщо проколів. Цей режим особливо поширений у віці ноутбука і телефонних акумуляторів, які піддаються впливу тепла або фізичного навантаження.

Кореневі причини поломки

Виготовлення Детекти

Навіть у добре керованих фабриках, мікроскопічних частинках металу або пилу можуть забруднювати клітини. Ці частинки можуть бути залучені до електродів під час складання і в кінцевому підсумку викликати шорти. Погана електрод покриття однорідності, неадекватне сушіння, а слабкий адгезію сепаратора є іншими потенційними дефектами. Більшість згадувань — такі, як 2016 Samsung Galaxy Note7 — були в кінцевому підсумку слідували за процесом виготовлення недоліків, які дозволили електродам коротко на вкладках.

Овердравлідження та перекриття

Літієві батареї повинні зберігатися в строгому вікні напруги, як правило, 2,5–4.2 В на клітинку. Виготовляючи верхній ліміт (загальна) смуги, що літію з катоду і пластин, на неї на анод, формуючи дендтитри. Передоплата нижче відключення напруги може розчинити мідний струмовий колектор, створюючи мідні шунти, які короткі клітинки. Захисні схеми (системи управління категорією, BMS) призначені для запобігання обох умов, але збій компонентів або помилок програмного забезпечення можуть обходити їх.

Термоспад

Тепло прискорює кожну деградацію реакції всередині акумулятора. Операція при 45 °C різко порізає цикл життя в половину порівняно з 25 °C. Екстремальні температури — вище 60 °C — може викликати сепаратор для усадки або розтоплення, що веде безпосередньо до внутрішніх шортів. Холодні температури сповільнюють хімічні реакції, але підвищують внутрішню стійкість, що робить швидку зарядку більш ймовірним для засвоєння літієвої пластики.

Фізична зловживання

При скидання приладу може відступати від клітинки, що обсаджує або пересуває внутрішні шари. Вимкнення акумулятора (наприклад, з голкою або гострим об'єктом) практично завжди викликає бурхливий короткий. Навіть повторне коливання може втомлювати внутрішні з'єднання з часом. Користувачі ніколи не намагаються відкрити, компресувати, або змінити акумуляторний пакет.

Життя та календаря

Всі літієві батареї деградують навіть при зберіганні невикористаних. Вирівнюються рівні заряду (100 % стану заряду) і високі температури прискорюють старіння календаря. Схищаючи акумулятор при 40 % заряді і 15 °C мініміси втрата потужності протягом багатьох місяців. Саме тому виробники відвантажують нові пристрої на 50–60 % заряді — він зберігає акумулятор при зберіганні.

Механізми безпеки Вбудовані сучасні батареї

Система управління акумуляторами (BMS)

BMS - це мозок акумуляторного пакета. Він відстежує напругу клітин, струм і температуру. Він відрізається зарядка, коли будь-яка клітина досягає максимальної напруги, балансує клітини, щоб тримати їх рівною, і відключає пакет, якщо температура перевищує безпечний порог. Якісна мікропрограма також відстежує стан здоров'я і може відрегулювати потенційні збої.

Пристрої чутливої температури (PTC)

PTC - це скидання, яка різко підвищує стійкість при перевищенні струму. Вона захищає від зовнішніх шортів — наприклад, якщо порт зарядки пристрою скорочений іноземним об'єктом. Як тільки несправність знімається і PTC охолоджується, відновлює нормальну роботу.

Поточний Interrupt Пристрої (CID)

Багато циліндричних клітин містять CID, що постійно відключає внутрішню з'єднання клітин, якщо газ набирає на небезпечний рівень. Це забезпечує останню лінію захисту від перепаду перед відкритим відходом безпеки.

Вент і Бурст Диск

Якщо внутрішній тиск стає екстремальним (від газового виробництва), забитий ділянку або вентиляційний вентиляційний газ в контрольованому напрямку. Це запобігає згортанню клітинки. У підсувних клітинах герметика може відкрити на слабкому місці.

Профілактичні заходи та кращі практики

Користувачі можуть значно знизити ризик виникнення акумулятора за наступними рекомендаціями:

  • Використовувати сертифіковані зарядні пристрої та кабелі . Післяпродажні продукти можуть не поважати правильний профіль зарядки або не можуть бути належні сертифікати безпеки. Подивіться на UL, CE, або інші регіональні позначки.
  • Найприємні температури Не залишають пристрої в прямій сонячній промені, в гарячому автомобілі або поблизу джерел тепла. Аналогічно, не допускаючи зарядки в умовах заморожування — якщо пристрій холодний, нехай його прогрівати спочатку.
  • Не перезаряджається Сучасні пристрої зупиняють зарядку на 100 %, але зберігаючи їх заглушуються протягом тижнів може напруги акумулятора. Розгорніть один раз повністю заряджений, і розгляньте токарність на функції акумулятора, які обмежують заряд до 80 % для щоденного використання.
  • Замінити болгарки або старі батареї швидко Якщо ви помітили пристрій обсадки, то двері акумулятора не закривають рум'яна або незвично короткі часи запуску, мають акумулятор, замінений кваліфікованим техніком. Не намагайтеся проколу або розпоряджатися боляченою акумулятором в нормальному перепаді.
  • Сторожні батареї] Для пристроїв, які ви не використовуєте часто (наприклад, резервний ноутбук), зберігайте акумулятор приблизно на 40 - 60 % заряду в прохолодному місці. Цей мінімісс календарний вікінг.
  • Опитування фізичного пошкодження] Якщо пристрій випав важко, подивіться на зубчики або булги. Навіть якщо пристрій все ще працює, може існувати внутрішня пошкодження.
  • Настанови виробника Follow Використовуйте тільки замінні батареї, вказані для вашого пристрою. Сторонні батареї можуть не мати ідентичних захистів від безпеки.

Висновки: Переадресація шляху

Технологія літієвої‐іонної дії продовжує розвиватися. Нові хімісти, такі як літій-ірон-фосфат (LFP) властиво безпечніше і менше схильні до теплового ходу. Акумулятори твердої залози — все ще в розробці — замінити рідкий електроліт з твердим сепаратором, який практично виключає дендритацію і різко покращує безпеку. Тим часом краще алгоритми BMS і більш суворий контроль якості виробництва є зниженням рівня дефектів. Для цього розуміння поширених режимів збою і наступні практики безпеки звуку є найкращим способом насолоджуватися перевагами портативної електроніки без зайвого ризику.

Для подальшого читання на аналізі безпеки акумулятора та несправності див. статтю «Battery University» про проблеми безпеки лімута, , звіт про спектр літій-іонну акумуляторну багатю, а UL керівництво по тестування безпеки акумулятора. Розуміння цих ресурсів може допомогти як споживачам, так і конструкторам, які пом'якшують ризики, описані вище.