【電池篇-鋰電池】鋰扣式電池(Coin Type-CR/BR)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、低溫度時而減慢。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~XuA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) 使否在高溫環境儲存下,這是比較重要的。

4. 有不少人詢問電池的「製造日期 (Data Code)」如何識別 :

日系 Data Code正常都會標示在正極或負極面位置,標示方式又有分「噴印」與「鋼印/雷刻」,以英數2~3碼判別 :
例 : D/C= 8 Z   ← 第1碼  8 是年份  ( 2018年/10年一輪 ) ;第二碼 Z 是12月,數字 1~9 分別為 1~9月 ;英文 O=10月/Y=11月/Z=12月。部份歐美系電池則會用代號,無對照表很難識別。

多數D/C是負極面,因此有些吊卡裝的就看不到 (正極朝外) 因此只能由「ED/保存期限/有效期限 / 使用期限」合理的往前推算,或選擇年限較久的。若是D/C標示 (黑色噴印) 在正極就很好識別了 !


之前提過陸牌/陸製電池品質不是很好,也因此市售或產品配附的陸製電池大多沒印 (標示) Date Code,因為多半是放很久的庫存品或呆滯料電池,此主要怕影響銷售與品質顧慮所以都半 “不印”,或者在工廠生產幾個月後再「噴印」,這製造日期就變成出貨日期當然不準了 !  所以拿到這些電池量測也多半是「高電壓」、「高內阻」( 如下圖 ),這我說過~除了某些日製或 BR 電池外,會量測到這的現象就是「庫存電池」~~~放太久了 !

所以若是您需求適用在瞬間(Peak)或高耗電用途,建議請選近一點D/C的電池。若是用在RTC備用電與低耗電用途線路上就沒什差,只要不是陸製/陸系電池,基本上放個十年也都還有電與供電能力。

※ 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Data Code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”去量電池正負極尺寸而不自覺的發生短路沒電 (甚至產生短路爆火花) ; 生產製程的不甚所造成的更多~說不完,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、檢測過程短路、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。

由於單顆 (無串並聯) 的鈕扣電池屬於低能量電池,安全性佳,電池若不小心短路,焊錫製程短路 ( 如數十秒 ) … 其實都只會造成電池本體”短暫的溫升”與壓降 ( 並自我保護並限流 ),不至於會起火爆炸等等,只會損失極少不到0.1%的容量,電池靜置久了電壓值會慢慢回升>3.0v正常值以上。可以參考以下松下表面溫度圖示,我自己實驗過 CR2032短路,了不起就不到40℃一下子而已,當然如果是柱式 (CR123A/BR2-3A等) 大電流鋰電池那就要小心 ! 除了高溫外還有大電流產生的火花,這確實會比較危險。

以下為RENATA技術手冊說明 :
假設電池經過波峰焊錫爐 (或者是說短路~5秒),這點損失幾乎可以去忽略,它會緩慢回升恢復>2.5V,甚至需要數小時到數天都有可能,如果在”恢復/上升”過程中去量電池電壓…那當然過低(N.G)! 這就是客戶最常反應的”烏龍客訴”,幾乎98%電池都會回升>3.0V,當然客戶 (使用者) 自己什麼時候不小心短路都不知道,抵死否認自己沒短路 ( 可是真的就是”有”才會出現回升現象 )。因此電池既沒問題也非電池本身問題造成…這是最困擾的烏龍案例。

還有電池千萬不要過迴焊爐….爐內溫度都>200℃,高溫後電池沒死也內傷了~~

也有電路板 (卡) 或包裝使用ESD防靜電袋,這也要小心,它之所以可抗靜電就是塑膠袋上是有阻抗 ( 導電 ) 的,如下照片: 量測有65Kohm,假設就這麼剛剛好接觸電路板電池正負極間或迴路而產生阻抗 ( 耗電 ) ,經過一段時間可能就造成電壓不足或沒電現象。這個現象包含在生產製程與環境中有很多ESD防護措施都可能會導致發生。

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。

最後再舉個例 : 手指上帶著金屬戒指,拿/取碰電池過程中也可能造成短路放電 …..有很多細節都是在不知不覺中造成的哩。

【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,它不存在電壓不足問題,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、RENATA  CR2450HT 等規格;它們的電解液與絕緣膠圈結構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C的電池規格導致電池加速放電、電解液的劣化、電池膨漲、放電特性不佳 ; 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。

 

【電池的選用與適用性】

“選用不適合”的電池就是會造成品質異常事件,不是電池不好而是”用錯電池“,如上高溫特性就會造成很多不必要的品質事件產生。所以最後在這要整理一下適用性與選擇問題。

1. 選用正確的一次性(不可充電) 與 二次電池 (不可充電) : 這很好區別,一般看電池型號的前面英文代號 ( 如: ML/VL/LIR/MT/MS等等) 就可判別,真的不懂就上網估狗一下就知,重點是這些電池基本上”充放電”規格都不同,千萬不要相互亂代替使用。

2. 適用溫度 : 常溫+60-70℃ 或 +80~85℃ 或 +120~125℃高溫規格 : 自己判斷電池是在何環境下工作就很清楚,車用/戶外的用途基本上都建議使用高溫,當然很多工業用/3C裝置內部溫度很高又24HR開機下,也是建議使用高溫電池。另外,在高山上 ( 低溫 ),寒帶地區與水下 ( 低溫 ) 我是非常建議選擇寬溫最低可達-30~40℃最佳,很多原廠都有針對各不同廠牌都有實驗比較過,特殊用途的裝置建議一定要以原廠廠牌型號規格來替換,否則一般影響 “輕”則使用壽命短,”重”則造成產品失效 ! 這是因為在高溫或彽溫會影響電池放電的工作電壓值高低,當產品的電壓值 (V-Input) 設計太高並加上瞬間耗電 (Peak),這就很容易造成產品”不穩”或”失效”,而當回到正常溫度環境又恢復正常狀態 … 舉例 : 登山的電子裝置 (GPS/電腦表) 若失效、水下的潛水裝備失效 …這真的不是開玩笑~~要小心哩 !

3. 應用在工業 /網路通訊等用途 : 建議使用BR/BR-A電池,它有良好的放電特性與低內阻特性,使用特性長、放電電壓穩定,簡單說就是比較高溫定品質的電池。

4. 一般電子玩具裝置,包含玩具等等可以選用一般CR規格甚至選用陸製也無仿 ( 沒電或壞就算了 ),高階/高單價與高精密/工規商用等級等等…..建議用歐美日系品牌 ( 印尼、日本、瑞士製造) 為宜,免的因小失大就慘了~~~

※若需轉載本圖文,請知會用途(非商業行為)並載明文章出處。

【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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