Die SCP-Story: Wie sich das sekundäre Schutzelement der Dexerials parallel zu elektronischen Geräten entwickelte

Die Entwicklung des sekundären Schutzelements (SCP)

Ein Selbstkontrollschutz (SCP) ist eine sekundäre Sicherung, die die Stromkreise abschaltet, wenn im Lade-/Entladekreis einer Lithium-Ionen-Batterie eine Überladung oder Überstrom auftritt. Exklusiv von Dexerials entwickelt, wurden sie in mehr als 2 Milliarden elektronischen Geräten installiert.

Dieser Artikel erläutert den Hintergrund und die Zukunft von SCPs.

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Die Entwicklung von SCP begann 1991. Damals hatte die Massenproduktion von Lithium-Ionen-Akkus gerade erst begonnen, und PTC-Thermistoren (Positiver Temperaturkoeffizient) wurden als Schutzschaltungen für Lade- und Entladekreise eingesetzt. Der PTC-Thermistor war patentiert und ein teures Bauteil. Deshalb baten unsere Kunden Dexerials, ein Ersatzprodukt zu entwickeln.

Sicherungen anderer Hersteller verfügten über ein System, das bei hohen Temperaturen den Widerstand erhöhte und den Stromfluss unterbrach. Sobald die Temperatur jedoch sinkt, wird der Stromfluss wieder aufgenommen. Da in Lithium-Ionen-Batterien brennbare Materialien verwendet werden, ist es sicherer, ein Produkt, bei dem Probleme aufgetreten sind, zu deaktivieren. Daher haben wir uns entschieden, eine Sicherung zu entwickeln, die den Stromkreis bei Überladung oder Überstrom vollständig abschaltet und so die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöht.

Wie wurden die Technologien der Dexeirals zur Entwicklung von SCPs genutzt?

Natürlich gab es danach noch einige Versuche und Irrtümer. Die ersten von uns entwickelten Komponenten waren nicht wie heute oberflächenmontiert, sondern hatten eine Struktur, bei der Heizmaterial auf eine flexible Leiterplatte (FPC) gedruckt und die Sicherung eingepresst war. Da FPCs flexibel und biegsam sind, wurden sie durch Handlöten und nicht durch Oberflächenmontage verbunden. Dann erhielten wir von unserem Kunden die Anfrage nach einem Produkt, das mit einer automatischen Maschine montiert werden kann, und ein Jahr später entwickelten und brachten wir ein Produkt auf den Markt, das mit den aktuellen automatischen Montagemaschinen montiert werden kann.

Von Laptops über Smartphones bis hin zu bleifreien Sekundärschutzelementen (SCP)

Welche Verbesserungen wurden seitdem vorgenommen?

Wir verkauften die ersten SCPs im Jahr 1994, und die meisten mit SCPs ausgestatteten Geräte waren Laptops. Da die Hersteller immer leistungsfähigere Laptops produzierten, stieg der Stromverbrauch der CPUs. Daraufhin fragten die Kunden nach SCPs mit geringerem Widerstand, die höheren Strömen standhalten konnten.

Ursprünglich wurde die Leitfähigkeit von vorne nach hinten durch die Platzierung des Schaltkreises am Ende des Keramiksubstrats sichergestellt. Dies führte jedoch aufgrund der dünnen Leiterbahnen an den kürzeren Seiten zwangsläufig zu einem höheren Widerstand. Daher wurde ein Loch in das Substrat gebohrt und mit Metall gefüllt, um den Querschnitt zu vergrößern und Vorder- und Rückseite auf dem kürzesten Weg zu verbinden, wodurch der Widerstand reduziert wurde.

SCPs werden zunehmend in Smartphones eingesetzt

Insbesondere angesichts des jüngsten Booms von Smartphones mit Schnellladefunktion entwickeln wir neue SCP-Produkte, um diesem Trend gerecht zu werden. Für ein schnelles Laden des Akkus sind hohe Ströme erforderlich. SCPs müssen daher einen noch geringeren Widerstand aufweisen als herkömmliche Produkte.

Smartphones werden immer dünner und multifunktionaler, daher darf sich die Größe des SCP selbst nicht ändern. Wir mussten also die widersprüchlichen Anforderungen sowohl an geringe Widerstandsfähigkeit als auch an Miniaturisierung des SCP erfüllen – eine ziemlich schwierige Aufgabe.

Wie um alles in der Welt haben Sie diese schwierige Herausforderung gemeistert?

Herkömmlicherweise wurden Sicherungselemente aus Lötlegierungen hergestellt, dieses Problem wurde jedoch durch die Verwendung einer Zinnlegierung mit Silberbeschichtung gelöst. Wie in diesem Artikel ausführlicher erläutert, ist Silber ein Material, das Elektrizität gut leitet, sodass es etwa dreimal so viel Strom durchlassen kann wie herkömmliche Produkte gleicher Größe. Darüber hinaus ist es durch die Verwendung einer Zinn-basierten Legierung im Inneren möglich, die Sicherung im gleichen Temperaturbereich zu schmelzen wie Löt-basierte Legierungen.

Ein weiterer großer Vorteil dieser Technologie ist ihre Bleifreiheit, die bei Lötlegierungen bisher schwer zu erreichen war. Die EU-RoHS-Richtlinie, die gefährliche Stoffe in Materialien für elektronische Geräte spezifiziert, regelt Lötmittel mit hohem Schmelzpunkt (Stand: 2021) nicht. Angesichts des weltweit wachsenden Umweltbewusstseins ist es jedoch möglich, dass bleihaltige Lötmittel zukünftig reguliert werden. Sollte dies der Fall sein, gehen wir davon aus, dass die Nachfrage nach unseren bleifreien, niederohmigen SCPs deutlich steigen wird.

Die wachsende Nachfrage nach sekundären Schutzelementen (SCP) aufgrund der Pandemie

Die Pandemie hatte enorme Auswirkungen auf die Arbeit und den Alltag der Menschen. Angesichts der steigenden Nachfrage nach SCPs entwickelt Dexerials neue Technologien für das kommende Zeitalter der Elektrofahrzeuge.

Die Zukunft der SCPs.

Aufgrund der aktuellen COVID-19-Pandemie sind Fernarbeit und Online-Lernen auf der ganzen Welt üblicher geworden, was zu einem Anstieg der Nachfrage nach Laptops und Tablet-PCs geführt hat. Unsere oberste Priorität besteht darin, auf diesen steigenden Bedarf angemessen zu reagieren. Da die Menschen aufgrund der Ausgangssperre mehr Zeit zu Hause verbringen, steigen außerdem die Verkäufe von Reinigungsprodukten und Elektrowerkzeugen für Heimwerker. Außerdem nutzen immer mehr Menschen Elektromotorräder und E-Bikes, um überfüllten Zügen aus dem Weg zu gehen.

Solche elektronischen Geräte sind mit SCPs ausgestattet, die hohe Kapazitäten und Ströme bewältigen können. Darüber hinaus entwickeln wir SCPs, die mit Elektrofahrzeugen kompatibel sind, um dem bevorstehenden Übergang von benzinbetriebenen Fahrzeugen zu Elektrofahrzeugen gerecht zu werden.

Anforderungen an SCPs, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden

Der größte Unterschied zwischen Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen und solchen in elektronischen Geräten besteht darin, dass sie Gleichspannungen von bis zu 400 V bis 1000 V erzeugen. Bei solch hohen Spannungen kommt es zu Lichtbogenentladungen, bei denen sich Elektrizität wie ein Blitz durch die Luft entlädt, selbst nachdem der Stromkreis durch eine Sicherung unterbrochen wurde. Aus diesem Grund sind ein anderer Ansatz und eine andere Struktur als bei herkömmlichen Kurzschlussstromversorgungen (SCPs) erforderlich.

Je höher die Spannung, desto schwieriger ist es, einen Stromkreis zu unterbrechen. Doch ohne eine zuverlässige Methode zur Gewährleistung sicherer Lithium-Ionen-Batterien sind Fahrgäste und Rettungskräfte im Falle eines Unfalls gefährdet. Es besteht kein Zweifel, dass der Bedarf an Elektrofahrzeugen mit SCPs weltweit steigen wird. Wir setzen all unsere Anstrengungen ein, um solche Produkte zu verbessern und weiterzuentwickeln.