【電池篇-鋰電池】鋰扣式電池(Coin Type)品質問題

Written by OSCAR on 十月 3rd, 2018


很多人會問電池可以保存多久? 這其實跟食物一樣,儲存環境條件適當的話當然可以比較久,反之食物很容易腐敗 ; 要不然就是問怎嚜沒電了? 這麼快就沒電了?基本上這跟一瓶水一樣,在沒有破孔洩漏狀況下,沒開封的水瓶當然水不會自動消失,開封後的水瓶會因為飲用或蒸發等等而越來越少….而水少的很快….99%是用的人的問題。

【電池保存壽命與儲存期限(保質期)】
鋰扣式電池由於自放電率(Self Discharge)非常低,所引起的容量損失在室溫(20~23°C)下一般每年低於0.5~1%,因此有先天優良的儲存特性。因其化學體系的高度穩定性,以MnO2/Li電池為例一般在室溫下的保存期限可達10年。

不過電池的內部化學反應會因高溫而加速、低溫度而減慢。也就是儲存期間的容量損失,在很大程度上取決於「儲存溫度」。
因此較高的環境溫度會導致自放電率增加,而較低的環境溫度降低自我放電。但電池在過低溫下儲存也會有些「風險」;即低溫高濕下在轉移或變化到溫暖的環境中時,會易因濕氣凝結於正負極間而導致放電,使容量流失甚至有鏽蝕而漏液之可能風險。
因此若要電池保存長久,首先最好依據各廠牌家規格書的儲存「環溫/溼度」建議值,可能的話有防潮(恆溫濕管控下)存放最好。

但假設真的這麼久還使正常使用嗎? 這要分兩部份說明 :
1. 它的容量確實還很高,有可能電池容量才少10%而已,若用在RTC電路中、使用頻度耗電相當低產品(以~XXuA的電流放電),影響不大。前文有提到內阻問題,隨時間久了一般內阻會變高 :
  a.電池經過充/放電過程可以活化內部電解液,使內阻降低;
b.以微量的耗電流(uA)使用,即便內阻偏高或稍大些,對於電池的放電能力與效果其實影響不大。

2.  因存放很久(假設5~10年),容量還充足、電壓值高,但若用在高耗電、瞬間大電流的產品上(如LED、RF等)…偏高或過大的內阻即會影響放電效能,即便有電但無法釋放出充裕的電流,這個情況就是所謂良好的電池,但就不太適用於某些電子產品之中,若透過電解液的活化可以改善一些這個現象 (但有限)。

3.  一般其實會購買或使用到>5年的電池幾乎是微乎其微,個人比較理想的建議是存放<5年,市售吊卡也多標示5年,重要的是要注意電池在保存期間有沒受潮 (生鏽氧化等) 與高溫環境之下是比較重要的。因為電池的內部化學反應會由於高溫而加速,並且由於低速而減慢溫度。 換句話說,儲存期間的容量損失在很大程度上取決於”儲存溫度”。較高的溫度會導致自放電率增加,而較低的溫度降低自我放電。 但電池在低溫下儲存則會有些風險,當轉移到溫暖的環境中時,會易因濕氣凝結而產生外部短路放電現象。

※ 一般儲存環境條件 :
例如 : Panasonic CR2032 Storage Condition : Temperature = 5~35℃/Humidity:45~85%RH
若要長時間儲存並確保電池基本容量,則要在控制在20~23℃為宜(基本上是很難的);但要注意這是指在正常「自放電率」下仍保有正常的電池容量而已,因為基本上電池存放越久內阻會越高,若是用於RTC Backup等用途則影響不大 ( 低耗電線路需求 ) ,若是用於RF、LED等有瞬間耗電需求,那即便存放5年電壓值 >3V、容量 >90%也不太適用。
總結:適當的儲存環境下電池可存放很久仍「保存基本電量」,但要看用途決定是否還繼續適用。因此一般市售吊卡標示保存期限大多是五年還算合理,有些甚至標示到7~10年也是有所依據,在某些用途上其實並不太符合實際應用的狀況。


上 [上圖] 為Panasonic主要電池系列的環溫/年限使用建議參考圖。
上 [下圖] 為Renata環溫/年限使用建議參考圖 (例:在23℃時/10年容量~90%,隨溫度增高它的年限/容量也隨之遞減)。

【一次性電池電壓不足(過低)】
以這類電池生產技術純熟穩定度,一般電池新品剛拿到就沒電的不良機率是幾乎等於0(除陸製品/陸牌外),所以使用時要特別小心與注意。個人以松下或日製電池來說若真的有原廠來料不良,我可能願意掏個100倍的價格買回保存,因為以過往原廠出廠的經驗與不良機率,可以用幾億分之一來算,比中樂透機率還低,所以若真的發現有原廠不良怎麼不去蒐購回來珍藏呢? 敢這樣說就是這種電池生產與技術相當成熟的東西,你要拿到 (日系非陸製電池)「不良新品」可真的是非常微乎其微的,但陸牌/陸製品就不見得了。

一般陸製品會發現新品拆封沒電的 (電壓不足),多半是內部短路居多,因為是這很簡單的結構與材料,多半是製程/材料因素造成,包含外觀 (如:漏液),這些因素會導致電池內部加速放電。


由於鋰扣式電池就是因為薄、小,正負極間距 <1mm,正負極金屬面100%都是外露,與圓柱型電池比較來看,一般消費者在使用上常常容易去短路到,尤其是裝上電池扣 (彈片) 的過程或瞬間,甚至也遇到不少人真的把它當作硬幣去堆疊(造成短路),短路然後反應說怎麼電壓不足、沒電的? 包含取用或量測過程常常都有不小心短路的狀況,不要懷疑… 非常多案例,也有人用金屬卡尺去量電池正負極而不自覺的發生短路沒電,生產製程不甚所造成的更不用說了,例如 : 打翻電池而堆疊短路、與金屬工作檯、設備機具工具等短路、過DIP錫爐的短路、焊接作業的短路、安裝過程的短路、電路板中的迴路 (焊錫連焊等) 所造成的放電或短路。

其實過程的疏忽、不慎多半發生於一瞬間或短時間數秒都還影響來不大,因為小電池的短路放電對於容量影響不大,一般電池經過”靜置”一段時間後都可恢復正常 (>3.0V),若是像電路板短路很久後才發覺…那電池的電壓/容量可能就受到影響而不良了,這類的不良可能因為短路 (過放電) 會有電池膨脹、容量損失、電壓不足的現象。

個人也常常遇到大廠/公司,經手的人沒有電池基本觀念與概念,幾顆電池拿到手就用個夾鍊帶當硬幣一樣全裝在一袋去郵寄…不要說短路沒電,沒造成起火燃燒算是運氣好! 總之…過程中有意無意造成短路的原因可是百百總。

【充電電池二次電池電壓不足】
可充式電池顧名思義就是可以充電,它不存在電壓不足,會有電壓不足不是你沒給它充飽電就是把電用光而不足,可是偏偏還是有人會說「怎嚜電壓不足」?
以成熟的日系Coin Type充電電池廠:Panasonic松下 (ML/VL/MT系列)、maxell (ML)、FDK (ML、NBL)、SEIKO (ML、MS等) 製程品質都相當穩定,除松下外多為日本製造,它們主要差異只是尺寸與容量大小壽命不同,還有價格。充電電池一般都可正常充飽電,只有隨著使用的充放電次數D.O.D (Cycle life) 的多寡與程度而逐漸壽命衰減 (容量不足、壓降大),這是充電電池會有的正常現象,壽命的問題與影響因素非常複雜很難詳述之。因此這只針對新電池,它基本上沒有沒電的問題,除非你拿到靜置很久 (長期自放電下) 的庫存品。

【驗證電池電壓不足方式】
因為可能不是自己經手造成,當你手上拿到”電池沒電” 時要如何驗驗證電池可能曾被短路 (放電) 所造成電壓過低?
首先當發現電池不足時如何分辨原因與量測?
鋰扣式電池多輸出電流小無法負荷大電流 (短路), 因此電池當遇有大電流負載、放電 (短路) 時,會有自我保護特性 (壓降),因為它無法供給承受瞬間過大的電流,因此於O.C.V靜置量測時,若是 ”壓降->回升” 則是正常現象,這是大多數使用者常遇到的問題。

[裸電或帶PIN/帶線電池(未使用)
1.  當發現有電壓不足 ( O.C.V開路電壓 <3.0V ) 時,應立即記錄當下量測的電壓值。
2.  將電池取下靜置5分~24小時 (甚至3-7天),於適當時間去對電池量測數次電壓值並記錄之。
3.  比對靜置後的第二次…第三次 (時間) …電壓量測值;若電壓值是持續上升現象 (如 : 1.9V→2.2V→2.9V…) 則證明該電池已受過外部放電 (短路) 現象。

[上基板(已使用)]
1. 量測機板上電壓值並記錄之。
2. 確認量測PCB上相關線路、迴路是否有短路導致電池短路、壓降。
3. 量測電池迴路電流:將正極勾 (串) 接電流 (精準的uA微電流) 錶確認負載消耗的電流值是否正常(<設計規格內)。 若過大→檢查線路與零件造成原因;若正常,則取下電池。 4.取下電池量測O.C.V電壓值並記錄之。 5.將電池取下靜置5分~24小時 (甚至>2~3天),於適當時間再對電池量測數次電壓值並記錄之。
6.比對靜置後的第二次…第三次 (時間) …電壓量測值;若電壓值是持續上升現象
( 如 : 1.9V→2.2V→2.9V…) 則證明該電池已受過外部放電 (短路) 現象。

PS: 例外的是原本耗電流或設計值就很高。

以上完成初步排除程序,若電池有上升多屬正常現象(可能是短路或負載耗電過大);電池壓仍維持「靜置電壓值」狀態,則多為已經使用過一段長時間 ( 在穩定的工作電壓2.0V~3.0V狀態下 )。

※ 低電流檢測 (幾uA或更小) 的話建議用非接觸式的高精密鉤錶量比較準,畢竟線材、接觸點等都有些微小阻抗,多少會略影響量測的電流值。

很多人手邊有數位三用電錶,一般用電錶來判斷電池是否有電是最基本的方法,但即便PASS不代表還能適用! 電錶量得的是O.C.V開路電壓 (空載下的電壓 ),如同虛浮的值;實際要裝上檢視迴電耗電狀況才準確,它有可能會因負載耗電而產生電壓不足。所以嚴格來說要看電池接上電路的「電壓值變化」才準確。

【關於電池漏液】
「漏液」對於「鋰扣式電池」非常不易發生(陸製品較常發現),較多是因為「長期儲存環境」不當下易造成此問題。其次為外在因素如 : 製程/工作環境的高溫(電烙鐵、熱風槍、烤箱、迴焊爐、恆溫濕實驗等)造成破壞或二次加工 (點焊) 不良;再者即是原製造廠封裝不良因素。

若有發現異狀可做參考基本的分辨 :
A.  電解液多屬透明液體,與金屬面長期侵蝕後多會有白色鏽蝕凹痕或綠黃痕。
B.  水、溼氣鏽蝕基本上多是黃褐色。
C.  清洗液殘留痕則多水漬痕或淡綠色 (會殘留在表面與絕緣膠圈旁),但陸製品的發生機率非常,此雖影響不大,但總是製程品質上的瑕疵,感觀不好。

【高溫環境造成的不良】
由於越來越產品與用途多有高溫環境的需求,如 : TPMS、網路通訊、交通載具、工業電腦 (電子裝置) 等,這幾年的高溫電池 (或者說 : 寬溫/工規規格) 也越來越多人使用;一般電池正溫度規格簡單分三個等級,+60-70℃是一般CR常規品的使用環溫,BR則可到+80~85℃,再來就是+120~125℃
針對高溫款 (+120~125℃) 日系大廠目前常見的有:Murata (SONY) CR-W、Panasonic BR-A or CR-B、maxell CR-HR等規格;它們的電解液與絕緣膠圈是能承受高溫並保持良好特性為主要關鍵,也因此它的價格也特別高些。

我們發現因為電池外部高溫(如 : 工作環溫、電烙鐵、熱風槍、烤箱、迴焊爐、恆溫濕實驗等),所造成電池不良壽命衰減的案例非常多,很多是不當的選用就是不了解電池特性而造成,例如 : 用SMD熱風槍的高溫無意的間接熱烘造成Gasket變形 (塑料) 而漏液,車載電子用品使用常規+60~70度的電池規格導致電池加速放電、電解液的劣化、電池膨漲 ; 也有直接將電池去過SMT迴焊爐… 也有人將整機電路板 (產品) 帶電池去高溫老化室或實驗機去做高低溫實驗… 這類案例非常多,若真的有高溫使用的需求,請不要貪便宜… 還是選用高溫/寬溫的+80~125℃的電池使用為宜。

 

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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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