消费电子中锂电池常见故障模式

锂离子和锂聚合电池几乎在今天的每一个便携式消费设备中都提供了动力,从智能手机和笔记本电脑到无线耳机和平板电脑。它们的高能量密度和充电能力使这些设备变得不可或缺。然而,这些系统却可能以几种方式失败,有时甚至严重。理解它们失败的原因和原因如何帮助用户延长设备寿命,防止事故发生,选择更安全的产品。下面我们探索主要的故障模式、其根源以及你能够做些什么来减少风险。

1. 能力衰竭和与年龄有关的退化

能量丧失是电池退化最常见的和可预测的形式。 每一次充电循环都会导致不可逆转的化学变化。固态电解质间层(SEI)会生长,消耗活性锂。电解质溶剂分解,阴极材料会失去结构完整性。随着时间的推移,这些效应会减少电池储存的能量。用户注意到电荷之间的运行时间缩短,通常在300~500个全循环之后。日历(时间)也会有所贡献,即使电池没有投入使用。高温也大大加快了这一过程,这就是为什么热是电池寿命的敌人。

2. 内部短路和Dendrite形成

内部短裤是当正电极和负电极直接触碰细胞内部时发生的。制造缺陷——如金属粒子污染或分离器质量差——可造成早期短裤。更阴险的是脱落物:微镜、树状金属锂矿床,这些矿床在快速充电或充电过程中生长。凹陷物可以穿透薄的聚合物分离器,形成一条低的阻碍路径,导致局部加热。如果短裤足够大,它可以引发热逃逸。许多电池被追溯到制造过程不完善产生的内部短裤。

3. 热逃

热逃是最危险的故障模式。 当内部热产生超过电池散热能力时,热逃是开始的。温度升高,细胞内排热反应加速。电解质分解释放可燃气体,分离器收缩或熔化,造成更多的内部短路。 这种级联会导致火灾、爆炸和有毒烟雾的排出。 充电过度是一种常见的触发器:将更多能量强制进入充电电池会导致锂电镀和热发电。外部热源(比如,在热车中留下一个装置)和机械损坏(puncture, crush)也引发了逃热。 现代设备包括多种保障措施来防止这种情况,但没有任何系统是无法安全的。

4. 电压抑郁症和 " 软 " 短片

并非所有短裤都是灾难性的。 “ 软”短裤可能来自微小的电解错配或轻微的污染, 导致比正常的自放电率更高。 电池可能仍然工作, 但闲置时会显示快速的电压下降。 随着时间的推移,这会导致多细胞包的细胞失衡, 降低可用容量, 并导致过早关闭。 软短裤在不经过仔细监测的情况下难以检测。

5. 燃气发电和灌溉

液化锂电池在由电解质分解或水分侵入产生内部气体时,往往会膨胀。邮袋电池会膨胀,对设备的内壳进行推压。虽然膨胀并不总是意味着即将发生故障,但表明压力会积聚,电解质可能丢失。 冲浪电池如果被刺穿,可能会破裂并引起化学燃烧或火灾。这种模式在老化的笔记本电脑和电话电池中特别常见,它们已经暴露在热力或物理压力之下。

失败的根源

制造业缺陷

即使在控制良好的工厂,金属或粉尘的微粒也会污染细胞。 这些微粒在组装过程中可能被电极吸引,并最终造成短缝。 电极涂装不统一、干燥不足和分离器薄弱是其他潜在缺陷。 大型 — — 如2016年三星银河记事 — — 最终被追溯到制造过程缺陷,这些缺陷使得电极可以在标签上缩短。

充电和充电

锂电池必须保存在严格的电压窗口内,一般是每个电池2.5–4.2 V. 超限(充电)将锂从阴极和板块上排到阳极上,形成脱落物. 超充电在断流电压下可以溶解铜电流集器,产生缩短电池的铜分流. 保护电路(电池管理系统,BMS)的设计是为了防止两种条件,但组件故障或软件bug可以绕过它们.

热力应激

热能加速电池内部的每个降解反应. 与25 °C相比,45 °C的切变周期寿命大约为一半. 极端温度——高于60 °C——会导致分离器收缩或熔化,直接导致内短,冷温慢化反应但增加内阻,使得快速充电更可能诱导锂电镀.

身体虐待

丢弃设备可以凹陷细胞壳或改变内部层。 压入电池( 例如用针或尖锐物体) 几乎总是造成剧烈的短路。 即使反复的振动也可能会使内部连接随着时间的推移而疲惫。 用户不应该试图打开、压缩或修改电池包。

老龄和日历寿命

所有锂电池即使储存起来,也会退化。 电荷水平(100%的电荷状态)升高,高温加速了日历老化。 将电池装在40%的电荷和15°C的电荷上,在很多月中将容量损失降到最低。 这就是为什么制造商以50-60%的电荷运送新设备 — — 它在存储过程中保留了电池。

安全机制 建造到现代电池

电池管理系统(BMS)

BMS 是电池包的大脑。它监测电池的电压、电流和温度。当任何电池达到最大电压时,它会切断电荷,平衡电池以保持其等效,如果温度超过安全阈值,则会断开电池包。高质量的BMS固件也会跟踪健康状况,并标出可能的故障。

正温系数设备

PTC 是一个重置引信,当电流超过极限时,电阻会急剧增加。它可以防止外部短路 — 比如,设备的充电端口被外星物体所短。 一旦断层被消除,PTC冷却,它就会恢复正常运行。

当前中断设备( CID)

许多圆柱形细胞含有一个CID,如果气体压力达到危险水平,则永久切断细胞的内部连接。 这为安全通风口打开前的逃逸提供了最后的防御。

风琴和鼓乐盘

如果内部压力变得极端(从气体生成),一个得分的区域或喷口会打开,以释放受控方向的气体。这可以防止细胞壳爆炸。在邮袋细胞中,封条可能在弱点打开。

预防措施和最佳做法

用户可遵循本准则,大幅降低电池故障风险: 1.

  • 使用认证充电器和电缆. 市场后产品可能不尊重正确的充电配置或者可能缺乏适当的安全认证. 寻找UL,CE,或其他区域标记.
  • 避免极端温度. 不要把装置留在直接阳光下,放在热车里,或者靠近热源的地方. 同样,避免在冻结条件下充电——如果装置冷,先让它暖和.
  • 不要过度充电. 现代设备停止充电100%,但保持插电数周可以使电池紧张。一旦充电完毕,就不要插电,并考虑打开电池优化功能,将充电限制在80%的日常使用。
  • 迅速更换肿胀或老化电池。 如果发现设备外壳膨胀,电池门没有关闭冲水,或者运行时间异常短,电池就由一个合格的技术员替换。不要试图在普通垃圾中刺穿或处理肿胀电池。
  • 电池的安装得当。 对于你不经常使用的设备(如备用笔记本电脑),电池的存储量约为40 — 60%,位于一个冷却干燥的地方。 这可以将日历老化降到最低。
  • 检查物理损害。 如果设备已硬投, 寻找凹陷或凸起。 即使设备仍然工作, 内部损害可能存在 。
  • 遵循制造商准则。 只使用为设备指定的替换电池。第三方电池可能没有相同的安全防护。

结论:前进的道路

锂离子技术继续发展,新的阴极化学,如磷酸锂(LFP),本质上比较安全,也不太容易发生热流。 固态电池(仍在开发中)用固态分离器取代液电解质,这几乎消除了脱落物的形成,大大提高了安全性。 与此同时,更好的BMS算法和更加严格的制造质量控制正在降低缺陷率。现在,理解常见的故障模式和遵循健全的安全做法是不受不必要的风险的便携式电子产品的最佳方式。

关于电池安全和故障分析的进一步解读,见 巴特里大学关于利离子安全关注的文章[, 关于锂离子电池火灾的IEEE Spectrum报告,以及UL电池安全测试指南[ 。 了解这些资源既有助于消费者,也有利于设计工程师减轻上述风险。