原标题:锂电池鼓包、穿刺

 

01 电池鼓包

 

昨天同事给我一个他的华为笔记本电脑中的锂电池,据说是在使用过程中电池鼓包,引起笔记本电脑键盘都凸起。现在他已经在华为维修点更换了新的电池,就问我为什么电池会鼓包,如何避免锂电池电池鼓包呢?

 

▲ 图1.1 鼓胀的华为笔记本电脑内部的锂电池

 

1.1 锂电池为什么鼓包?

 

在  Common Lithium-ion Battery Problems and How to Fix Them[1] 给出了锂电池膨胀的原因。

 

1.1.1 充电过程膨胀

 

锂电池在通常情况下充电过程中会自然略微发生膨胀,但通常不会超过0.1mm。然而,如果过充,引起内部电解液的分解,就会增加内部的压力,使得电池膨胀,甚至最终引起电池爆炸。

 

  • 解决方法:就是不要过度对锂电池进行充电。需要能够使用智能充电器可以自动检测电池是否充满。特别是,不要连续充电超过12个小时。

 

1.1.2 生产过程中膨胀

 

在生产过程中,如果发生短路、过热等异常现象都会使得电池内部过热,引起内部的电解液的分解,使得电池膨胀。

  • 解决方法:电池的生产厂商应该严格控制电池生产过程中的各种参数以及工作环境避免发生短路和过热。

 

1.1.3 循环使用过程中膨胀

 

随着锂电池循环使用,它内部的电极会自然加厚,引起电池膨胀。通常情况下,在50周之后,这个现象就不会再继续,此时电池会自然增加 0.3 - 0.6 mm的厚度。

 

  • 解决方法:这是电池正常的反应。通过增加电池的外壳,或者减少内部物质可以减少膨胀的程度。

 

▲ 图1.1.1 锂电池在循环使用过程中内部的变化

 

好吧。幸亏同事的电池仅仅是膨胀,还没有严重到爆炸的程度,使得他的笔记本电脑幸免于难。

 

1.2 拆卸锂电池

 

1.2.1 刺破鼓胀的锂电池

 

实际上还有一个细节,同事在看到他的笔记本电脑键盘凸起后,将电池拆卸下来看到电池鼓胀。此时他做了一个很自然的想法:就像对待走路时脚上磨出了个泡,使用针去挑破水泡的想法。他居然使用缝衣针将其中一个故障的电池刺破。

 

通常情况下使用针去刺破充满电的锂电池 是非常危险的。

 

▲ 图1.2.1  三元锂电池在刺破之后起火

 

但是对于聚合物锂电池,在穿刺的过程中相对比较安全。下面是有人在实验室利用铁钉对聚合物锂电池进行穿刺试验。可以看到电池并没有发生升温和爆炸。

 

▲ 图1.2.2  聚合物锂电池穿刺实验,不发热,不爆炸

 

在华为笔记本内部所使用的电池为锂离子聚合物电池,所以膨胀被刺破后仅仅冒白烟,并没有继续燃烧爆炸。

 

1.2.2 笔记本电池内部

 

将电池的外包装去掉,可以看到内部包括有四个软包装的电池组以及一个外部接口电路板条。

 

四个电池,利用万用表测量端口电压:

  ●  电池的端口电压:
   电池1:4.2V
   电池2:4.2V
   电池3:3.9V
   电池4:4.0V

 

根据电池包装上看到电池对外端口的额定电压为7.6V,充满电为8.7V。所以这款笔记本电池组应该内部是两并两串的结构。

 

▲ 图1.2.3 笔记本电池内部

 

黑色的充电板上大部分的芯片都使用黑色胶进行了封装保护。

 

▲ 图1.2.4 充电板的局部细节

 

1.2.3 电路板上的主要芯片

 

在电路板上具有可以辨识的三种芯片。

 

(1)BQ40Z50

 

BQ40Z50[2] 是一款应用监视电池剩余电量的芯片。可以完成1 ~ 4 串联聚合物锂电池电量管理和监控。可以驱动高端N-沟道保护场效应管。内置电池单元充电或者静止平衡控制电路。可以通过编程完成电池的电压、电流、温度、充电时间等方面的保护。

 

被应用在笔记本电脑、手持电子设备一产出医疗测试中。

 

▲ 图1.2.5 DO40Z50 TI BAI CHE7

 

下面是其数据手册给出的典型应用电路。

 

▲ 图1.2.6  典型的应用电路

 

(2)D6SC2

 

D6SC6[3]  是一种超薄的表面封装的保险丝,用于空间受限的电池保护场合。在突然短路的情况下,保险丝可以熔断。

 

▲ 图1.2.7 D6SC2 小型电池保险丝

 

D6SC2还有第二种保护功能,也就是它的数据手册中给出的==内部自加热元件可以在电池过充的情况下自动切断电源==。说实在的,对于它的第二保护功能目前我还不是特别的理解具体用途是啥?

 

▲ 图1.2.8 数据手册中给出的外表与封装

 

(3)TPS7418

 

TPS7418[4] 是200mA 快速回复低压串联稳压芯片。电路中使用了两颗,估计是独立为两个并联电路提供低压电源

 

▲ 图1.2.9 7418 稳压芯片

 

02 电池穿刺

 

到此为止,手边还有四个拆自华为笔记本电脑的电池,如何安排它们各自的命运呢?

 

根据同时描述,他使用针刺破电池之后,电池仅仅冒了一股青烟,然后瘪了下去。但很神奇的是:电池依然能够继续工作,为笔记本提供充足的电能。

 

为了满足一下自己的好奇心,验证同事不是欺骗我,下面也对其中的一个电池进行穿刺实验。

 

警告:下面的操作具有一定的危险性,是由专业人士进行,请读者不要进行模仿!

 

2.1 测试方法

 

使用一个铁钉捆绑在一个铁锤头部,敲击聚合物锂电池。查看是否有冒烟、升温以及燃烧现象。

 

  ●  实验参数:
   电池:重量54.7g,端口电压:4.225V,8×6.3cm
   铁钉:长:10cm,重量:16.1g
   铁锤:长:70cm,重量:4000g

 

▲ 图2.1.1 穿刺实验方法

 

▲ 图2.1.2 行刑前的铁锤与锂电池

 

2.2 测试结果

 

2.2.1 实验过程

 

下面对于锂电池进行穿刺实验。只是在第一锤的时候,刺破的锂电池在孔处冒出少量的烟雾,第二锤便没有了任何反应。这个过程与同事所描述的是一样的。

 

▲ 图2.1.3  对锂电池进行穿刺

 

是由手持测温枪测量电池的表面温度,上升到54摄氏度。

 

利用万用表测量电池两端的电压:仍然有4.12V! 这个结果出乎我的意料。

 

2.2.2 电池剩余电量

 

这个电池内部都已经被刺穿短路了,为什么此时电池输出端口的电压依然有4V多呢?

 

为了测试这个电压并不是端口“浮动电压”,也就是此时电池内部诗经阻抗很大,无法计数输出电功率。将电池连接在一个小型直流电机,它带动一个小轮胎转速。

 

▲ 图2.1.4  电池 输出电压带动小型电机在旋转

 

可以看到此时电机在很快地转动,电池此时端口电压依然有4.1V左右。

 

※ 测试总结 ※

 

对于同事提供的一块华为笔记本中的锂电池进行了拆卸。了解了其中的基本结构。特别是其中电路板中给出了用于锂电池电量监控芯片信息,超薄的两功能保险丝以及低压稳压芯片,这为今后工程设计提供了参考。

 

对于电池的穿刺实验,让我们知道了聚合物锂电池的特性,也显示出一个神奇的结果:一个被穿膛破腹的聚合物锂电池居然还能够持续对外提供电能。

 

直到写完本文最后一句的时候,锂电池驱动的电机还在愉快的旋转着。

 

参考资料

[1]Common Lithium-ion Battery Problems and How to Fix Them: https://insightsolutionsglobal.com/common-lithium-ion-battery-problems-and-how-to-fix-them/

[2]BQ40Z50: https://www.ti.com/document-viewer/BQ40Z50/datasheet/features-slusbs8915#SLUSBS8915

[3]D6SC6: http://www.lonco-asia.com/pdf/product_category/SCHOTT%20SEFUSE%20D6SC%20battery%20fuses%20specification.pdf

[4]TPS7418: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/860087/TI1/TPS7418DG4.html