Почему батареи перестают работать
Для разработчиков устройств, использующих батареи, полезность или пригодность к эксплуатации зависит от батарей, поэтому чрезвычайно важно понимать причины выхода их выхода из строя. Это позволяет предвидеть потенциальные поломки и устранить их с помощью изменения конструкции, чтобы предотвратить или уменьшить влияние неконтролируемых условий в процессе производства или эксплуатации. Батареи с разными электролитами или разных конструкций выходят из строя по разному. Эта страница отражает лишь наиболее общие причины выхода из строя и описывает превентивные меры, которые необходимо предпринять при конструировании устройства.
Почему батареи ломаются
Проблемы конструкции
Логичным началом анализа является конструкция ячейки. К несчастью, именно в этой области инженер по конструкции обладает наименьшими знаниями и имеет меньше всего возможностей вмешаться. Причины конструктивных поломок, например, слабая механическая конструкция, несоответствующие клапаны давления, выбор низкокачественных материалов и несоответствующая стойкость могут быть потенциальными причинами многих поломок. К сожалению, он квалифицирован в физической химии, имеет опыт разработки компонентов и доступ к детальным данным конструкции и и специальному оборудованию, как масс-спектрометр и электронный микроскоп, но этого не достаточно для инженера по конструкции чтобы понять качественность разработки конструкции ячейки только из спецификации. Единственное, что можно предпринять, это ускоренный тест срока службы, чтобы проверить что заявленные требования к надёжности соблюдаются для указанного применения. Перед тем, как адаптировать любую ячейку к устройству, она должна пройти через квалификационные тесты на потенциальные слабые места. Больше информации по этому вопросу изложено на странице тестирования батарей. Если оборудования не достаточно для проведения тестирования, разработчики батарей могли бы предоставить его для проведения тестирований.
Неконтролируемый процесс производства
В этой области инженер по устройствам может оказать некоторое влияние. Ячейка может быть очень хорошо сконструирована, но когда она выйдет из лаборатории в производство, её судьба определится менеджером фабрики. На заводах с хорошей системой менеджмента это не будет проблемой, но на остальных фабриках это может привести к дополнительным источникам поломок в ячейке. Это случается гораздо реже на больших автоматизированных фабриках с хорошо известным и защищаемым именем, но если Вы выберете наименьшую цену, необходимо быть готовым к тому, что углы будут отрезаны для достижения наиболее низкой цены. Некоторые симптомы, на которые следует обратить внимание:
Ручные методы сборки. В таких условиях очень сложно достичь
точности и повторяемости сборки; недостаток точности может привести
к коротким замыканиям, утечкам, ненадёжным соединениям и контактам.
Это относится не только к маленьким фирмам по дешёвой сборке
батарей. Даже в крупных компаниях, когда производится новая
батарея, первые покупатели обычно снабжаются продуктами, собранными
вручную или на полуавтоматической линии, пока потребность в батареях
не превысит затраты на автоматическую линию по производствую.
Последствия ручной сборки: царапины и повреждения электродов при
предварительной сборке
Отсутствие допусков компонентов создаёт похожие проблемы с точностью
Неровности токопроводящей фольги создают потенциальные проблемы с
короткими замыканиями
Пустоты снижают ёмкость батареи, увеличивают сопротивление и
препятствуют отведению тепла
Загрязнение активных компонентов увеличивает количество
нежелательных химических эффектов, которые могут привести к
различным поломками, перегреву, росту давления, снижению ёмкости,
росту сопротивления, саморазряду и коротким замыканиям
Смазка или обрезки, оставленные на корпусе
Слабый контроль морфологии электрода. Частицы должны быть
достаточно мелкими и одинаковыми, чтобы ячейка имела заявленную
мощность
Неконтролируемый процесс производства. Типичным примером является
переменная толщина активных компонентов на электродах. Результатом
этого может быть снижение ёмкости, сопротивления или саморазряд.
Контроль процесса производства включает так же контроль температуры
и влажности воздуха на производственных участках наравне с размерами
компонентов
Использование несоответствующих альтернативных материалов. Это не
обязательно будет происходить, но встречается достаточно часто.
Тестирование образцов может выявить этот факт
Низкое качество корпуса может привести к нежелательным соединениям и
локализации теплоты
Механическая хрупкость. В маленьких ячейках обычно проявляется
проблема утечки электролита, в то время как большие ячейки более
чувствительны к разрушению, что так же приводит к утечкам и
искривлению, что означает, что ячейка не поместится в отведённое для
неё пространство
Некачественная герметизация так же приводит к утечкам электролита и
активных компонентов, а так же попаданию воды в ячейку, коррозии и
проблемам безопасности использования ячеек
Контроль качества и система его менеджмента. После производства
ячейки, этот фактор является наиболее важным в части выходов из
строя ячеек. На заводе в ключевых местах производства должны быть
зоны контроля, определяющие и непрерывно контролирующие все
параметры, которые могут оказывать влияние на качество и надёжность
продукта. Корректные действия должны предприниматься автоматически,
если происходит приближение к предельным значениям отклонений, чтобы
предотвратить выход за пределы. Система не только должна
располагаться, но так же должна работать. Журналирование позволяет
убедиться, что система всё время работает в нормальном режиме.
Все эти пункты могут быть проверены инженером по разработке устройств после получения доступа на фабрику, у которой планируется приобретать эти ячейки.
Смотрите так же производство батарей.
Возрастные изменения
Производительность батарей снижается со временем из-за нежелательных химических реакций и физических изменений в активных химических компонентах. Обычно этот процесс не является обратимым и приводит к поломке батареи. Например:
Коррозия уничтожает некоторые активные компоненты в ячейке и
приводит к росту сопротивления и снижению ёмкости
Активные компоненты теряются в результате испарения. Газообразные
продукты в ячейке при перезаряде теряются в атмосфере и приводят к
снижению ёмкости
Изменения в физических характеристиках (морфологии) активных
компонентов
Образование кристаллов. С течением времени кристаллическая
структура на поверхности электрода изменяется с образованием
больших кристаллов. Это явление снижает активную поверхность
электродов, максимальный ток и энергетическую ёмкость батареи
Рост дендритов. Это явление представляет собой образование
кристаллов или древовидных структур вокруг электродов в
электролите. На начальных стадиях дендриты могут увеличивать
саморазряд, большие дендриты могут повреждать сепаратор и
приводить к короткому замыканию
Пассивация, образование слоя на поверхности электрода,
препятствующее химическим превращениям в ячейке
Короткие замыкания в ячейках. Ячейки могут иметь скрытые дефекты,
которые проявятся только в процессе эксплуатации в результате
старения. Это могут быть недостатки конструкции, загрязнения,
неровности электродов и металлических частей и другие, вызывающие
короткие замыкания.
Разрушение электрода или электролита, которое может происходить в
некоторых твёрдоэлектролитных ячейках.
Процесс старения и сопутствующие проблемы могут быть выявлены повышением температуры.
Неконтроллируемые рабочие состояния
Хорошие батареи не являются неуязвимыми к повреждениям, которые могут быть вызваны их использованием. Высокая температура ячейки является основной причиной и может быть получена следующими причинами:
Плохой конструкцией
Неподходящей ячейкой для этого устройства
Неподходящим зарядным профилем
Перезарядом
Окружающей средой: высокой влажностью, температурой, плохим
охлаждением
Высокой температурой хранения
Физическими повреждениями
Большинство этих причин приводит к перегреву ячейки, который рано или поздно приводит к её повреждению и выходу из строя.
Злоупотребления, небрежность в обращении
Злоупотребление подразумевает не только преднамеренную физическую небрежность конечного пользователя. Она так же захватывает случаи небрежности, которые могут быть неизбежными. Они включают падения, разрушения, пробои, удары, погружения в жидкости, заморозки или контакт с огнём и другие, которые могут разрушить автомобильные батареи, например. Обычно принимается, что батарея не выдержит все эти испытания, несмотря на то, что батарея не должна повергаться воздействию повышенной опасности.
Внешние факторы
Батарея может выйти из строя не обязательно по естественной причине или вследствие небрежности пользователя. Это так же может быть вызвано неисправностями системы, в которой она работает. В автомобильных системах причинами проблем могут быть:
Сбои сенсоров
Сбои размыкателей и контакторов
Сбои вентиляторов и насосов
Утечки охлаждающей жидкости
Некорректные или потерянные сообщения о состоянии батарей
Нарушение работы системы управления батареей
Потери связи или помехи
Нарушение процесса зарядки (перезаряд)
Для идентификации неисправности система бортовой диагностики должна быть соединена с модулем журналирования системы конроля состояния батареи.
Как батареи выходят из строя
Описанные ниже процессы сопровождают процесс поломки батареи.
Расходование активных компонентов
В первичных источниках этот случай не является поломкой, чего можно ожидать от вторичного источника, в котором активные компоненты восстанавливаются через повторную зарядку. Как отмечено выше, возраст батареи приводит к уменьшению активной массы компонентов.
Изменения в молекулярной и физической структуре электродов
Даже если химический состав активных компонентов может оставаться неизменным, изменения в морфологии, которые имеют место с возрастом, могут препятствовать химическим взаимодействиям, приводя ячейку в нерабочее состояние.
Распад электролита
Перегрев или перенапряжение может вызвать химический распад электролита.
Электродное покрытие
В литиевых ячейках низкотемпературная работа или превышение тока во время заряда могут привести к деполяризации лития на аноде, что приведёт к необратимым потерям ёмкости и часто к короткому замыканию.
Рост внутреннего сопротивления
Внутреннее сопротивление ячеек имеет тенденцию к увеличению с возрастом, по мере роста кристаллических форм, снижающих эффективную поверхность электродов.
Снижение ёмкости
Это явление является следствием возраста ячейки и роста кристаллов. Иногда оно является обратимым через восстановление батареи одним или несколькими глубокими разрядами.
Увеличение саморазряда
Изменение кристаллической структуры активных компонентов, как отмечено выше, может приводить к росту давления на сепаратор и, как следствие, увеличению саморазряда ячейки. Как и в случае с другими химическими реакциями, это приводит к увеличению температуры.
Газообразование
Газообразование происходит обычно при заряде и приводит к потере активных компонентов, но во многих случаях это может быть ещё и опасно. В неготорых ячейках выходящие газы могут быть взрывоопасны. Свинцово-кислотные ячейки, например, выделяют кислород и водород при перезаряде.
Рост давления
Газообразование и распад химических элементов при воздействии высокой температуры ведёт к росту давления внутри ячейки, что может быть опасно, как отмечено выше. В герметизированных ячейках это явление может привести к разрыванию или взрыву ячейки, если в ней не предусмотрены клапаны для сброса давления. Рост давления так же может привести к разрыву сепаратора и короткому замыканию, что является более проблематичным в цилиндрических ячейках, которые значительно сильнее сопротивляются деформации под давлением в сравнении с призматическими ячейками.
Разрыв сепаратора
Короткое замыкание может произойти из-за разрыва сепаратора в результате роста дендритов, загрязнения, искривления поверхности электродов или размягчения сепаратора при нагреве.
Вздутие
До того момента, как давление внутри ячейки достигнет опасного предела, некоторые из них претерпевают подобные изменения во время нагрева. Это отчасти присуще литий полимерным мешочным батареям. Такие явления могут привести к потере ёмкости в результате ухудшения контактов между проводящими частицами, но может привести и к внешним проблемам, например, трудностям с помещением ячейки в предусмотренный для неё отсек.
Перегрев
Перегрев всегда является проблемой и вносит свой вклад во многих случаях поломок батарей. Он случается достаточно часто и может приводить к необратимым изменениям в химических компонентах ячейки, образованию газов, распаду материалов, раздуванию и искажению формы ячейки. Предотвращение перегрева ячейки является наилучшим способом продления срока её службы.
Термальный выбег
Скорость химических реакций удваивается при росте температуры на каждые 10°C. Протекающий через ячейку ток вызывает её нагрев и рост температуры. По мере роста температуры электрохимические взаимодействия в ячейке ускоряются и в то же время падает её внутреннее сопротивление, что приводит к возрастанию тока и ещё большему повышению температуры, что приводит к разрушению ячейки, если не были предприняты защитные меры.
Последствия поломки батарей
Механизм выхода из строя, изложенный выше, не всегда приводит к незамедлительному и полному разрушению ячейки. Эти явления часто только ускоряют снижение производительности батареи. Это может быть очевидно в снижении ёмкости, увеличении внутреннего сопротивления, саморазряде или перегреве. В повреждённых ячейках, которые продолжают работать, более высокое рассеяние тепла может привести к раннему отключению по напряжению в защитных цепях до того, как ячейка будет полностью заряжена или разряжена, что приведёт к снижению эффективной ёмкости в будущем.
Измерение состояния ячейки может обеспечить дополнительной информацией о скором выходе из строя.
Существует несколько режимов выхода из строя ячейки, происходящих при её полной поломке. Не всегда возможно определить, какой из них произойдёт, поскольку во многом они зависят от обстоятельств.
Обрыв цепи является самым безопасным режимом для ячеек, но это не
обязательно так для устройства. Когда путь тока разорван и батарея
изолирована, возможности дальнейших повреждений батареи ограничены,
но эта ситуация бесполезна для пользователя. Если одна из ячеек
многоячеечной батареи обрывается, то вся батарея становится
неисправной.
Короткое замыкание в одной ячейке батареи может привести к
перегрузке остальных ячеек, но вся батарея сможет продолжать
отдавать мощность в нагрузку. Этот случай может быть важен в
экстренных ситуациях. Короткие замыкания могут быть внутренними и
внешними, но существует слишком мало способов для системы контроля
защитить батарею от внутренних коротких замыканий. Внутри ячейки
могут быть различные степени повреждения:
Жёсткое (металлическое) короткое замыкание, когда между
электродами образуется постоянное соединение, вызывающее очень
большой ток до полного разряда батареи и приводящее к полному
разрушению ячейки.
Мягкое короткое замыкание, когда возникает небольшая площадь
контакта между электродами. Такое замыкание может самоустраниться
в случае, если через него будет протекать большой ток и соединение
расплавится подобно предохранителю.
Существование мягкого короткого замыкания может быть обнаружено
ростом саморазряда ячейки или по высокому значению саморазряда в
сравнении с другими ячейками в батарее. К сожалению, подобный
индикатор мало пригоден в больших ячейках, где он наиболее
необходим.
Взрыв должен быть предотвращён любой ценой и батарея всегда должна
включать защитные цепи и устройства для предотвращения подобных
ситаций.
Пожар так же возможен, поэтому батареи должны быть защищены от
возникновения такой возможности.
Смотрите так же безопасность батарей.
Ложные срабатывания
Иногда вы можете обнаружить отказ батареи, который случается по внешним причинам. Это может происходить в зарядном устройстве или защитных цепях. Так же это может произойти, если «превосходное» зарядное устройство будет неспособно зарядить батарею. Так же это может иметь место при неверной настройке защитных цепей в батарее и зарядном устройстве. Регулирования напряжения зарядного устройства может быть недостаточно для того, чтобы справиться с полностью разряженной батареей или ограничение тока может быть установлено слишком низким, что приводит к отключению при попытке включения зарядного устройства на разряженную батарею, когда происходит бросок тока. Существует возможность разряда батареи в случае, если происходит сбой в защитной цепи. Возможности отказа внешних цепей должны быть проверены до того, как батарея будет признана негодной.
Продление срока службы батарей
Дизайн устройства
Первым шагом является определение того, что для устройства выбрана наиболее подходящая батарея.
Надёжность и квалификация поставщика
Вторым шагом является выбор поставщика, который способен поставлять безопасный и надёжный продукт.
Надёжность ячеек
Следующим шагом является проверка соответствия ячейки заявленым спецификациям во всех ожидаемых режимах использования и корректности работы встроенных зарядных устройств, например, клапанов давления.
Защитные цепи
После того, как была выбрана ячейка, необходимо определить соответствующие электронные цепи. Наиболее важными из них являются защитные цепи, которые контролируют, что ячейка работает в допустимом диапазоне температур, токов и напряжений. Необходимо так же выбрать спецификацию для зарядного устройства.
Возможности предотвращения отказов
Процесс разработки новой ячейки может занимать 10 и более лет. Предотвращение отказов является важным пунктом повестки дня во время регулярных тестирований. Подробнее смотрите отказы и их анализ.
Качество и надёжность продукта
Когда окончательная конструкция батареи завершена, необходимо провести тесты как одной ячейки, так и целого продукта, в котором он будет работать, в том числе с зарядным устройством. Эти тесты должны выявить нежелательные взаимодействия между этими частями устройства.
Хранение
Не следует сокращать срок службы неиспользуемой батареи хранением её при слишком высокой температуре.
Производство
После внимательного контроля процесса разработки не следует позволять производителю допустить потенциальные отказы в батарею. Следует убедиться в том, что фабрика использует соответствующую систему проверки качества продукции.
Плановое обслуживание
Следует снабдить пользователя рекомендованными операциями по процессу обслуживания и способы определения состояния батареи.
Подробнее смотрите причины отказа литиевых батарей, срок службы батареи и надёжность и способы её повышения.
Last updated