紐扣锂電池没电失效原因
紐扣锂電池失效模式主要有:容量衰减,泄气或漏液,集流体腐蚀,热失控等。 其中容量衰减是最常见的失效模式,导致这一失效产生的因素很多:在电极方面,反复充放电使电极活性表面积减少,电流密度提高,极化增大;在电解质溶液方面,电解液或导电盐分解导致其电导率下降,分解物造成界面钝化。此外,隔膜阻塞或损坏,电池内部短路等也会缩短电池的寿命。
1.紐扣锂電池失效模型
目前的研究认为温度和工作电流是加速紐扣锂電池容量衰减的两个重要应力,并有试验验证了失效的模型。在相同温度条件下,紐扣锂電池的寿命与放电电流的关系基本遵从电应力为加速变量的加速模型,在双对数坐标系上,锂離子電池失效與放電電流也爲線性關系。
2.紐扣锂電池的速率容量效应
紐扣锂電池具有速率容量效应,指的是电池实际容量会随着负载的不同而不同,负载越大,电池的容量越小。其原理是,电池的寿命很大程度上取决于负极上可反应区域的状态。在小电流稳定放电的情况下,反应区均匀地分布在负极上,能够被充分应用;但当某些时候,电池有大电流放电时,负极表面的反应区与被不均匀覆盖,导致有些内层的活性点位无法参与反应,这会导致电池在高放电率下快速失去电量。
3.紐扣锂電池的自放电
紐扣锂電池内部的自放电也会导致电池容量的不可逆损失,其原因有可能是因为电池内部发生了一系列不可逆反应。
陽極與電解液發生的不可逆反應(相對主要發生于錳酸锂、鎳酸锂這兩種易發生結構缺陷的材料,例如錳酸锂陽極與電解液中锂離子的反應)。陰極材料與電解液發生的不可逆反應(化成時形成的SEI膜就是爲了保護負極不受電解液的腐蝕)。電解液自身所帶雜質引起的不可逆反應,以及溶劑中O2發生的反應。類似的反應不可逆的消耗了電解液中的锂離子,進而損失了電池容量。其中以電解液中雜質的不可逆反應尤爲常見。
另外,在電池的制造過程中,雜質混入造成的微短路也會引起不可逆反應,這一現象是造成個別電池自放電偏大的最主要原因。空氣中的粉塵或者在生産極片、隔膜時沾上的金屬粉末都會造成電池內部微短路。由于生産時絕對的無塵是做不到的,所以這種可能性是必然存在的。當粉塵不足以達到刺穿隔膜進而使正負極短路接觸時,其對電池的影響並不大;但是當粉塵嚴重到刺穿隔膜這個“度”時,對電池的影響就會非常明顯。由于有是否刺穿隔膜這個“度”的存在,因此在測試大批電池自放電率時,經常會發現大部分電池的自放電率都集中在一個不大的範圍內,而只有小部分電池的自放電明顯偏高且分布離散,這些就是隔膜被刺穿的電池。
一般數碼産品裏面,做電源用的紐扣電池需要焊在線路板(PCBA)上,故必須在紐扣電池表面有可焊的焊片(連接片);但紐扣電池表面通常爲不鏽鋼,是不能直接焊錫的,所以廠家會把鍍鎳或鍍鋅的焊片點焊在紐扣電池上,以方便使用紐扣電池的工廠進行焊錫。紐扣電池焊片的點焊控制難度比較大,主要原因爲紐扣電池太薄,且負極锂片是直接與電池負極外殼相連的,而點焊是一個典型的瞬間電流和熱量都很大的過程,所以很容易發生電池內部隔膜燒穿,造成內部正負極片短路,在極短時間內將電量放完。
點焊時産生的熱量可以表示爲Q=I2Rt。
其中,Q爲産生的熱量(J),I代表焊接電流(A),R爲電極間電阻(Ω),t爲焊接時間(s)。由式可見,電流I對産熱的影響比電阻和時間兩者都大,因此在焊接過程中,它是一個必須嚴格控制的參數。當工件和電極一定時,工件的電阻R取決與它的電阻率。因此,電阻率是被焊材料的重要性能。電阻率高的金屬其導電性差(如不鏽鋼)電阻率低的金屬其導電性好(如鋁合金)。因此,點焊不鏽鋼時産熱易而散熱難,點焊鋁合金時産熱難而散熱易。點焊時,前者可用較小電流(幾千安培),而後者就必須用很大電流(幾萬安培)。
爲了保證熔核尺寸和焊點強度,焊接時間t與焊接電流在一定範圍內可以相互補充。爲了獲得一定強度的焊點,可以采用大電流和短時間(強條件,又稱硬規範),也可采用小電流和長時間(弱條件,也稱軟規範)。選用硬規範還是軟規範,取決于金屬的性能、厚度和所用焊機的功率。
除上述三個參數對點焊性能的影響之外,由于焊接電極壓力對兩電極間總電阻R有明顯的影響,故也是焊接熱量的影響因素。一般隨著電極壓力的增大,R顯著減小,而焊接電流增大的幅度卻不大,不能影響因R減小引起的産熱減少。因此,焊點強度總隨著焊接壓力增大而減小。解決的辦法是在增大焊接壓力的同時,增大焊接電流。
爲了避免點焊過程中過大的熱量燒穿內層隔膜,制造企業必須根據電池外殼和焊片的材料性能、點焊機的電極壓力和功率輸出等因素綜合設定焊接參數,減少報廢。
4.結論
紐扣锂電池失效寿命与放电电流为线性关系。速率容量效应显示,当负载越大,电池的容量越小,原因电池的寿命和负极上可反应区域的分布直接相关,当电池有大电流放电时,负极表面的反应区与被不均匀覆盖,故实际参与反应的面积低于理论值。
紐扣锂電池内部阴阳级均和电解液可以发生不可逆反应,而电解液中的杂质也会和溶剂反应,消耗电解液中的锂离子,进而损失了电池容量。电池制造过程中的杂质的混入也有可能导致隔膜被刺穿,进而引起电池内部短路,造成自放电,影响产品的寿命。
紐扣锂電池在点焊焊片过程中,其产生的热量和点焊电流,电阻及时间有直接关系,为减少点焊烧穿的风险,在设定点焊参数时,必须根据实际情况设定焊接电流和时间,同时保证焊接质量。
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