【電池篇-鋰電池】規格與特性(一次電池:CR鋰二氧化錳, BR氟化碳鈕扣式電池, 二次可充電池: VL,ML,LIR)

Written by OSCAR on 一月 16th, 2018

【關於O.C.V開路電壓】
去量測空接的電池芯(裸電)正負極的電壓值叫做「O.C.V開路電壓」…反之「C.C.V閉迴路電壓」即有加負載迴路的電壓(也可稱工作電壓)。

很多人認為新電池基本上「電壓值」(O.C.V) 就是要高,越高越好電池容量越高! 以 3V 電池來說, 3.4V 比 3.2V 要好 (容量也較高) …是這樣? 對於「新品電池」而言基本上這是錯誤觀念:鋰 (負極) 對 (+) 某金屬 (正極) 材料 (如二氧化錳等) 基本上這此款電池製作時就已決定它的工作電壓與O.C.V。這個觀念源自大陸人普遍認為任何東西的極端性:高也好、大也好、亮也好、快也好、便宜也好…這都才是好,殊不知這些很多都是大陸廠商為了迎合客戶/市場需求特別灌水出來的虛表值,也就是沒意義的表面數據,就如大陸一般買家都認為要是3.4V才是好貨 ! 我們若將兩者 3.4V 與 3.2V 電池一起去做放電實驗…那個新電池 3.4V 一下就降到 3.2V 以下甚至更低,當然的這類陸製電池做完「放電實驗」後基本上結果值都是在規格邊緣或不足的。

且個人在此洩露點天機… 一次電池如 (CR/BR) 越放越久 (如庫存>2年) 通常電壓值是越放愈高 (內阻上升) ! 不要以為電壓高就是好 ! 不信你參考以下 FDK 原廠規格書寫明…40天…80天後是不是越來越高? 若是二次充電電池 (如ML/VL) 即比較無此因素影響。

下圖為某S陸牌大廠的CR2032電池放電圖 (取自規格書),明顯可見O.C.V > 3.3V 於掛載後電壓很快的下降到2.9~3.1V左右 (工作電壓值),期間電池容量可能連 1mAh (1%) 都不到,所以高電壓值≠高容量 (mAh)。

下圖為日系M牌放電曲線圖,以20℃條件下,O.C.V >3.2V 但掛載後電壓也是降自 2.9~3.0V 左右,我們將圖放大(h)時間軸來看,這個 3.0~3.3V 的容量應該是<3HR之內,即高電壓≠高容量。這個電壓值的變化與差異,其實佔整顆電池實際容量是非常的微小部份。通常我們應該去看整個「工作溫度」下的放電容量 (mAh) 可得到多少,而不是在乎那出廠 (初始) 電壓值 (3.2~3.4V有多少容量) …簡言之即不要陷入「高電壓值=高容量」的迷思。

由以上曲線圖也可順便了解,當溫度越高其工作電壓值也越高,環溫越低「工作電壓」就越低,但容量會稍高些,不過「工作電壓」偏低易導致電路IC的不工作或不穩定而誤動作。

【CR/BR新電池的O.C.V與I.R】

如上 No.1 依照一般常人量測新電池 3.3V 認定,一定是No.1比No.2 好(電壓值高) ! 但其實內行專業人可由內阻值發覺偏高些(雖實際上該值還在原廠規格內),我們用一負載電阻(R)並聯測量(CCV)並模擬在耗電時,看電池電壓會降到多少….. 與No.2的比較就可發現,電壓高不見得放電特性好 ! 電壓低也不見的差;也包含電壓低 (>3.0V) 的電池容量不見得就比較小…還有使用的外部條件因素也會影響。

這樣「高電壓/放電特性差」的電池應用在「射頻」、「LED」等會瞬間耗電的產品上,懂得人自然就了解其優略性差異。所以「電壓值」、「內阻值」、「容量」雖不見得是必然好壞關係,但是有相互影響關係。至於這三者測值為何會有高低差異? 這屬工廠製造因素比較複雜就不在此多談技術問題。

至於有使用過後的電池,有可能用了一陣子後還是>3.0V,一般要確認是否還堪用,建議兩個方式參考:
1. 測量內阻值是否還在合理值內 (須參考原廠規格,但多數原廠不會提供只能靠經驗值或參考內部規格書),且多數人無檢測器量測,因此不易判斷。
2. 掛載測試 (C.C.V):例如使用電錶+電阻(R=XΩ;X值須視耗電的負載大小,例如:V=3V/I=10mA/R=300Ω),我們將電阻(300Ω)併接在電錶紅黑線上,用紅黑棒接觸電池正/負極約1-2秒,看電壓降至幾V,若瞬間降到<2.5V,基本上電池容量已不足或放電效能較差了。

※ 實例如 : CR1632 (胎壓偵測器常用電池) 產品為射頻發射信號,工作/耗電量較大,新電池接上後沒三天很快就降至 2.9~3.0V,正常下在 2.5~2.9V之間的工作電壓可維持一年,一年後 (沒電) 取下後電壓還會上升到 3.0V,但實際上內阻變大、容量已不足。所以始用 CR1616~2016這些薄電池基本上壽命約在2年左右,尤其是應用於RF/RFID等射頻產品上 (須看工作頻度)。


▲如上【圖三】這顆C牌電池拆解分析:負極「鋰金屬」仍殘留許多,但為何無法放電電壓過低? 由隔離片可見外觀發黃、焦黑 (內部乾燥),研判是電解液已乾掉,即便有微量鋰離子游離而有3V電位,但沒有電解液使得電流無法釋出,這也就是內阻值會這麼高。簡言之這款電池並不適用於高溫環境,它的電解液易提早老化揮發反應完導致內阻過高、無法釋放出電流(因而產生壓降)。


▲如上這顆M牌換上又使用一年後,胎壓偵測器出現低電壓警示(=2.2V),取下量測O.C.V=3.0V但IR已上升到65Ω,拆解它看其內部鋰金屬仍殘留有大半 (與陸製C牌差不多),但內阻低很多且電解液的濕潤性還有些,由隔離片中間微黃的程度看來比原本C牌好很多,所以電池的電解液成分與隔離片材質是關鍵,尤其在高溫環境下的使用更顯的重要,另外由此的觀察也發覺,M牌內金屬圈的設計在較大流耗電下較為不利,易造成損耗不均衡的現象而影響原本的規格特性。

【電池的使用特性解說】
以下是一般電池基本特性,常接觸的人建議要多了解。
1. 工作電壓與負載(耗電)關係:
產品使用上的工作電壓,與這顆電池的使用與壽命是因果相關的,而工作電壓是產品的負載 (耗電流) 造成;負載耗電流越大,工作電壓值就越低,來看以下Panasonic CR2032原廠曲線圖,以藍色20℃的曲線:當負載耗電1mA時它的工作電壓=2.85V;0.2mA時它的工作電壓約=2.95V,簡單舉例就如一個彈簧圈,用力壓就會變扁、放鬆後就彈開變高…這種電池跟彈簧特性是一樣的。除非你的電池容量(mAh) 大,那這特性就不易顯現出(就如: 彈簧線徑直徑很大,你用力壓也壓不太下去),另外就是溫度越高,電壓值也越高。

2.電池容量與負載(耗電)關係:
如以Panasonic CR2032原廠曲線圖,以藍色20℃的曲線:
當負載耗電1mA時,電池大約可得到190mAh的使用容量(以截止電壓2.0V計算);
當負載耗電0.2mA時,電池大約可得到215mAh的使用容量(以截止電壓2.0V計算);
由此可知耗電流越小,用的時間越長,能得到的電也越多…
當然…越冷的工作環境能使用到的電量與時間就越少/越短。
若有些電子產品本身設計的操作電壓是2.2~2.5V…那電量與時間就就越少/越短。

3.溫度與電壓-容量關係:
如以下Panasonic CR2032原廠曲線圖,看藍色20℃的曲線(15k-ohm條件下):
使用時的環境溫度越低,電壓值會越低、容量也越低;
使用時的環境溫度越高,電壓值會越高、容量差不多;但…要在電池「規格」內使用(例如不能超過+60℃,否則會造成電池損壞)

4. 放電規格條件(Discharge conditions)
我們在規格書常見的標準放電曲線圖條件例如 CR2032,Load:15KΩ /Cut-off V=2.0V是何而來?
在 IEC-60086-2 (如下圖) 有明列了條件,主要是依電池 Size大小不同,它的負載 Load(Ω) 也就不同,所以各廠牌規格書原則上是依據IEC標準而訂定與實驗出來的數據,除非有特殊用途 (客規品) 才有不同實驗測試數據結果。

◎由於鋰扣式電池使用上容易短路,加上人為因素、對電池特性的不了解,常常遇很多使用者與客戶在反應手上電池沒電 (或電壓不足),其實透過基本檢測與拆解分析都可輕易了解推判出真因,除了部分陸製電池本身品質不太好而有問題之外,會壓降其實99.9%幾乎都是使用者的問題,因為這類電池的製造與技術在世界各品牌大廠已經是非常成熟穩定的產品,會拿到有問題的機率可以說是非常微乎其微的。

當這類電池發現電壓過低、如何知道有無被短路過? 檢測判斷上非常簡單,只要先當下量測記錄電壓值,靜置一天 (或更久) 再測一次 (或N次),若電壓持續上升且升高很多,200%可確定電池有被短路(放電)過造成。是因為這類電池有自我保護與電壓回升恢復的特性~~就這麼簡單。

【關於mAh電池容量】
接著電壓談到電池放電電池容量問題
每款廠商電池會因為客戶需求的不同、產地與產品系列的不同,也些會分別生產出如A.B.C..等不同等級規格大小差異的容量。因此不見得手中取得的電池都是100%相同規格等級(容量相同)的東西,尤其是製造地不同通常品質也有差異,也就因此在使用上也好、測試實驗也好可能都會因此而有差異。

下表是個人曾於2013年針對市面上主要幾款電池的「放電實驗」以了解各家電池品質特性狀況。測試是依據各大原廠標準 15kΩ 放電,以 CR2032 容量來做,光放電實驗就花了二個月時間完成。至於樣品為隨機(新品)取得,如下表,Panasonic是用五年的舊電池,所以就不顯示O.C.V/I.R值;在此也可見日系品牌/陸製品(Toshiba與Mitsubishi)電壓都是 >3.3V。

測試結果如上,Panasonic 與 FDK 幾乎差不多,Mitsubishi 表現的數據還不錯,它雖然是日牌/陸製,不過它可是台灣 JHT(致宏)大陸廠幫它代工的電池…也難怪這部份表現還不差。SONY該款因為容量等級不明,不確定是否符合規格書。

再來看看以下陸牌電池(210mAh)測試狀況:OCV也是 >3.3V,基本上除了原本規格容量就較低之外,CNB 的在其中表現的還算不錯,不過 CNB 是港商非自製的電池,市面能見度也不高。至於許多台灣主機板廠常市面常見及使用的KTS還算有符合其容量規格。不過 KTS 也無自家工廠(由大陸億緯EVE等代工廠代工等),對大廠而言應該算是堪用等級品,所以市面使用與流通的能見度算高。但這些電池若是與 Panasonic 容量相比較大小,仍略顯一些差異。不過也是現實問題,以電池容量來說,原廠做足還有剩並不是很吃香,做剛好又便宜(便宜+堪用)才是這些主機板廠採購者優先考慮要項,我們這些終端消費者誰會在乎最終是會多了幾個月使用期? 有辦法比較優劣嗎?


最終來看以下各款電池的比較排序,不看原本規格大小,基本上都 >210mAh低標,並以Panasonic與FDK容量最高! 不過以價錢而言 Panasonic 仍較FDK便宜佔了上風。且個人在此提醒… 這顆Panasonic電池是5年庫存品去實驗的…五年喔 !! 有幾家電池品質可以讓你放這麼久(超低的自放電率)還能測到這麼高的容量? 一般電池如陸製品早因內阻(I.R)過高而導致放電效能變差、電壓容量不足了!

不過要先聲明:這個測試結果畢竟不是使用原廠高精度設備與恆溫濕環境下所實驗出的數據,也非第三公證單位實驗室的測試值,純個人實驗性質僅供參考,僅提供消費者了解與選購的參考指南。商業用途需求請另尋求專業實驗室,或向原廠取得高可信度的測試結果與報告。

另外電池本身的特性變異與環境影響是長期性的,會導致使用過程的放電效能下降(容量變低、壽命縮短),由於放電實驗僅在二個月時間完成,無納入環境變異因素與影響 (如溫溼度),理論上實際使用的結果可能會比以上數據要低,所以實驗值若有高於規格標準3~5%容量,個人是覺得是應該的,也是正常的。

【CR & BR電池差異】
我們在市面與3C產品上有些是使用 BR 電池,它與常見的 CR 電池又有何差異不同? 以下參考Panasonic CR & BR規格說明 :

●放電容量(mAh) : BR < < > CR(規格較高)
●放電電壓值(V) : BR < CR
●電電壓值的平坦度 :  BR > CR
●負載特性 : BR < CR (較優)
●儲存溫度下的自放電特性 : BR 優於 CR
●工作溫度 : BR (+80°C) > CR (+60°C)
●價格 : BR(貴) > CR


一般條件下,當負載加上 (放電) 時,BR 會由 3.4V 直接降到 2.5~2.6V 之間,持續放電後才會緩慢上升到 2.7~2.9 V間做平穩的放電,若負載大 (耗電大),瞬間壓降情況會特別明顯與低,尤其是低溫時電壓更低。
CR 電池的放電特性同一般大家所知的電池放電狀況,就是由最高 3.2V 持續放電與下降到 2.0V 截止。
BR 的 Continuous drain = 0.03mA,它較適合 「低電流放電」 的需求,當 Load 越小 (電流越大)
電壓下降越大,同樣的當溫度越低時電壓也越低。


▲實際CR V.S BR 放電的曲線圖比較

因此若電路「負載」過大,或線路設計的截止工作電壓(Cut-off V)過高 >2.0V,都有可能會因為 BR 電池本身的壓降現象造成有「誤判」的可能問題存在。因此常常遇到許多大廠RD來問 : 為何BR2032比較低 ? 為何用沒多久就降到2.8~3.0V 之間 ? 是不是BR2032電池有問題? 其實都是正常現象…. 只是很多人不了解這兩種電池的特性。

至於BR系列電池市售少見只有美國Rayovac與Panasonic有出此規格,這是因為BR系列電池是松下的專利,其它大廠都沒人出此規格。

【可充電式LIR 3.6V二次電池】
另外市售還有一種跟 CR系列鈕扣電池一樣外觀的 LIR 3.6V系列,它其實是鋰聚3.6V系統的可充式二次電池,只是用鈕扣電池外殼作為包裝,這只有大陸才有的 ”特殊” 款電池,但因沒有保護線路與裝置,除了安全性外品質也不是很理想,尤其更不適用加工電池 (打PIN)上,易打穿內部結構造成短路不良。

▲這種 LIR 3.6V 只是外觀做的與扣式尺寸一樣,內部跟鋰聚 (Li-Polymer) 結構類似,使用者需求考量電壓值與充電/保護線路等問題,且這類電池的品質不良率比較高。(不是很建議用LIR去替代CR/BR系列電池)

 

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【電池篇-鋰電池】基本認識與產地(CR鋰二氧化錳, BR氟化碳鈕池, 可充電池: VL,ML,LIR)
【電池篇-鋰電池】基本規格與特性(CR鋰二氧化錳, BR氟化碳鈕電池, 可充電池: VL,ML,LIR)
【電池篇-鋰電池】鋰扣式電池品質探討
【電池篇-鋰電池】環保與安規 (RoHS, UL1642, UL2054, IEC60086, 2006/66/EC, 2013/56/EU,REACH)

 


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