Reading-Pen-Akku und Lithium-Polymer-Sicherheit: Zellen, Laden, UN38.3

Zielgruppe: Dieser Artikel richtet sich an Compliance-Beauftragte, OEM-Produktsicherheitsverantwortliche und Einkaufsteams, die das Sicherheitsprofil von Akku und Lithium-Polymer-Zelle bei Lesestiften über die Modelle B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2 und Y6 hinweg verstehen müssen – einschließlich Zellchemie, Ladekurven, UN38.3-Transporttests, IEC 62133-Sicherheitsnormen, MSDS und Fehlerbildern im Feld.

Lithium-Akkus sind die am stärksten regulierte Komponente in jedem Lesestift. Ein einziger Transportvorfall kann eine gesamte Produktionscharge stoppen, und ein einziger Feldvorfall kann einen Produktrückruf in 47 Ländern auslösen. Im Folgenden gehen wir jede Sicherheitsdimension des Lesestift-Akkusystems durch – von der Zellchemie bis zur Versandeinstufung –, mit den genauen Werten aus unserer installierten Basis von über 47.000 Einheiten.

1. Zellchemie nach Modell

Lesestifte verwenden je nach Größe, Laufzeitziel und Kosten drei Lithium-Chemien. (1) Lithium-Polymer-(Li-Poly-)Prismazellen in B1, B2, F8, L5, P2, Q6, Q8 und Y6. (2) Lithium-Ionen-14500-Rundzellen in K7 und KF1. (3) Lithium-Ionen-18650-Rundzellen in T2. Li-Poly bietet die höchste Energiedichte pro Kubikzentimeter; zylindrisches Li-Ion bietet die niedrigsten Stückkosten und die längste Zyklenfestigkeit.

Die Zellkapazitäten betragen 500 mAh beim P2, 600 mAh beim F8, 700 mAh beim B1, 800 mAh beim B2 und K7/KF1, 900 mAh beim Q6, 1000 mAh beim Q8, 1200 mAh beim L5, 2000 mAh beim Y6 und 2500 mAh beim T2. Die Nennspannung liegt bei 3,7 V über die Li-Poly-Zellen und 3,7 V über die Li-Ion-Zellen (4,2 V Ladeschluss, 3,0 V Entladeschluss). Der Energieinhalt reicht von 1,85 Wh (P2) bis 9,25 Wh (T2).

Die Wahl zwischen Li-Poly- und Li-Ionen-zylindrisch ist vor allem eine Frage von Kosten und Zyklenfestigkeit. Eine 14500 Li-Ionen-Zelle kostet 0,42 bis 0,55 US-Dollar pro Zelle und übersteht 800 bis 1.000 Ladezyklen bis 80 % Kapazität. Eine prismatische Li-Poly-Zelle mit vergleichbarer Kapazität kostet 0,65 bis 0,85 US-Dollar und übersteht 500 bis 700 Zyklen. Beim T2, wo die Zelle groß ist und die Zyklenfestigkeit am wichtigsten ist, ist die 18650-Zelle die offensichtliche Wahl. Bei K7 und KF1, wo der Formfaktor begrenzt ist, ist die 14500 die einzige zylindrische Option. Für den Rest gewinnt prismatische Li-Poly in puncto Energiedichte.

2. Schutzschaltung: BMS, Fuel Gauge und thermische Abschaltung

Jede Lesestift-Zelle ist mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) gekoppelt, das vier Schutzebenen bietet. (1) Überladeschutz bei 4,25 V pro Zelle; der Lade-IC beendet den Ladevorgang, sobald eine Zelle diesen Schwellenwert erreicht. (2) Tiefentladeschutz bei 3,0 V pro Zelle; der Fuel-Gauge-IC signalisiert dem MCU die Abschaltung, bevor die Zelle unter 3,0 V fällt, um dauerhaften Kapazitätsverlust zu verhindern. (3) Kurzschlussschutz bei 6 A Spitzenstrom; der Schutz-FET öffnet innerhalb von 200 Mikrosekunden. (4) Thermische Abschaltung bei 60 Grad C; der im Zellenpaket verbaute NTC-Thermistor signalisiert dem Lade-IC die Drosselung.

Der BMS-IC auf B1, B2, F8, P2 ist ein TI BQ24075 mit integriertem Lade-IC und Fuel Gauge. Auf K7, KF1, Q6, Y6 ist es ein TI BQ25185 mit separatem Fuel Gauge. Auf L5, Q8, T2 ist es ein TI BQ25896 mit 1,5 A Schnellladeunterstützung. Alle drei ICs sind IEC 62133 zertifiziert und UN38.3 geprüft.

Die Fuel-Gauge-Genauigkeit beträgt ±2 % bei B1, B2, F8, P2 und ±1 % bei K7, KF1, L5, Q6, Q8, T2 und Y6. Die höhere Genauigkeit bei den größeren Stiften ist wichtig, weil Anwender sie länger pro Ladung nutzen und ein 5 %-Fehler bei der Restlaufzeitvorhersage bei einem 14-Stunden-T2 stärker auffällt als bei einem 4-Stunden-P2.

Einkäufer-Tipp: Falls Ihr Programm die IEC 62133-2:2017-Zertifizierung für EU-, UKCA-, Australien- oder Japan-Märkte verlangt, fordern Sie die BQ25185- oder BQ25896-BMS-Varianten an. Der BQ24075 auf B1, B2, F8, P2 erfüllt IEC 62133, jedoch nur auf Zellenebene; das höherwertige BMS ergänzt eine Zertifizierung auf Packebene, die Ihre technische Dokumentation vereinfacht.

3. Ladeprofil: CC-CV und die 80 %-Regel

Lesestift-Zellen werden mit dem standardmäßigen Konstantstrom-/Konstantspannungs-Profil (CC-CV) geladen. Die CC-Phase liefert 0,5 C bis 0,8 C der Zellenkapazität, bis die Zellenspannung 4,2 V erreicht; die CV-Phase hält 4,2 V und reduziert den Strom, bis er unter 0,05 C fällt. Die Gesamt-Ladezeit für eine leere Zelle beträgt etwa 2,0 bis 2,5 Stunden.

Auf B1, B2, F8, P2 beträgt der Ladestrom 0,5 C (350 bis 400 mA). Auf K7, KF1, Q6, Y6 beträgt er 0,5 C. Auf L5, Q8 beträgt er 0,7 C (700 bis 840 mA). Auf T2 beträgt er 0,5 C mit optionalem 1,0 C Schnellladen über die DC-Buchse (2,5 A). Schnellladen auf T2 füllt die Zelle in 90 Minuten, erzeugt jedoch zusätzliche thermische Belastung; wir empfehlen, Schnellladen auf 1 von 5 Zyklen zu begrenzen, um die Zyklenfestigkeit zu erhalten.

Der Ladeanschluss ist USB-C bei jedem Modell außer P2 (micro-USB) und T2 (USB-C plus DC-Buchse für Schnellladen). Alle Modelle unterstützen USB-BC1.2-Laden mit 5 V. Keines der Modelle unterstützt USB-PD oder QuickCharge; die Lade-ICs sind nur 5 V-fähig. Dies ist bewusst so gewählt. Höhervoltiges Laden erfordert eine komplexere Kabel- und Ladegerätequalifizierung, die 0,18 bis 0,25 US-Dollar zur BOM hinzufügt.

Für die Langzeitlagerung empfehlen wir den Versand bei 40 bis 60 % Ladezustand (SoC). Bei 100 % SoC über mehr als 6 Monate gelagerte Zellen verlieren 8 bis 12 % Kapazität; bei 40 % SoC gelagerte Zellen verlieren 1 bis 2 %. Unsere Fabrik lagert Fertigprodukte bei 50 % SoC und lädt vor dem Versand auf 80 % nach. Wir versenden nicht bei 100 % SoC, da Luftfracht-Lager nicht immer temperaturgeführt sind.

4. UN38.3 Transportprüfung

Jede Lesestift-Zelle und jedes Akkupack muss die UN38.3-Transportprüfung vor Luft- oder Seeversand bestehen. Die Prüfung umfasst 8 Verfahren: T1 Höhensimulation, T2 Thermische Prüfung, T3 Vibration, T4 Schock, T5 Externer Kurzschluss, T6 Schlag, T7 Überladung, T8 Erzwungene Entladung. Unsere Zellen werden von Intertek und TUV SUD geprüft, mit 3 Jahre gültigen Zertifikaten.

Die UN38.3-Prüfung ist eine einmalige Kostenstelle pro Zellendesign. Sobald eine Zelle besteht, gilt das Zertifikat für alle Einheiten dieses Designs. Wir halten UN38.3-Zertifikate für 18 Zellenvarianten, die B1 / B2 / F8 / K7 / KF1 / L5 / P2 / Q6 / Q8 / T2 / Y6 abdecken. Die Zertifikate werden alle 3 Jahre zu Kosten von 2.200 bis 3.800 US-Dollar pro Zellenvariante erneuert.

Für Luftfracht können Zellen unter 100 Wh gemäß Section II der IATA Dangerous Goods Regulations (DGR), Verpackungsanweisung 965 für Li-Poly und PI 968 für eigenständige Li-Ionen, versendet werden. Die größte Zelle in unserem Programm ist der T2 mit 9,25 Wh, deutlich unter der 100-Wh-Schwelle. Das bedeutet, T2-Stifte können als Section II ohne Gefahrgut-Zuschlag und mit einer einfachen Versanderklärung verschickt werden. Stifte unter 2,7 Wh (P2, F8, B1) sind von den meisten Gefahrgut-Dokumentationsanforderungen befreit.

Für Seefracht können alle Lesestift-Modelle als Nicht-Gefahrgut versendet werden, wenn der SoC unter 30 % liegt und die Verpackung kurzschlussgeschützt ist. Unser Standardmasterkarton enthält einen ESD-Beutel und eine Zellentrennung, die die Sondervorschrift 188 des IMDG-Code erfüllt.

5. IEC 62133 und der Pack-Level-Sicherheitsstandard

IEC 62133-2:2017 ist der internationale Standard für tragbare Lithium-Akkus in Haushalts- und Bürogeräten. Er deckt Sicherheit auf Zellen- und Packebene ab. Prüfungen auf Zellenebene umfassen anormales Laden, externen Kurzschluss, freien Fall, thermische Misshandlung, Quetschung und Unterdruck. Prüfungen auf Packebene umfassen Überladung, Tiefentladung, Vibration, Schock und Fall.

Jedes Lesestift-Modell, das wir ausliefern, verfügt über ein aktuelles IEC 62133-2-Zertifikat von TUV SUD oder Intertek. Der Zertifikatsumfang deckt die Zelle, das BMS und die Pack-Montage ab. Die Erneuerung erfolgt jährlich zu Kosten von 4.500 bis 7.800 US-Dollar pro Modell, abhängig vom Prüflabor. Wir listen alle Zertifikate in unserer technischen Dokumentation und stellen sie OEM-Kunden auf Anfrage zur Verfügung.

Für UL 1642 / UL 2054 (US-Markt) und CSA E62133 (Kanada) halten wir zusätzliche Zertifikate für K7, KF1, L5, Q6, Q8, T2 und Y6. Die UL-Prüfserie ist ähnlich wie IEC 62133, ergänzt jedoch eine aggressivere Thermische-Misshandlungs-Prüfung bei 130 Grad C. Für Saudi-Arabien SFDA, GCC GSO und Brasilien INMETRO wird das IEC 62133-Zertifikat anstelle zusätzlicher nationaler Prüfungen akzeptiert.

6. MSDS- und Prop-65-Konformität

Für jede grenzüberschreitend versendete Zellchemie ist ein Materialsicherheitsdatenblatt (MSDS / SDS) erforderlich. Wir stellen für jede Zellvariante ein 16-teiliges SDS im GHS-Format aus. Das SDS deckt die chemische Zusammensetzung (LiCoO2-Kathode, Graphit-Anode, organisches Carbonat-Elektrolyt, PVDF-Bindemittel), Erste-Hilfe-Maßnahmen, Brandbekämpfungsmaßnahmen (Wasser ist das empfohlene Löschmittel, kein Schaum) sowie Entsorgungshinweise ab.

California Prop 65 verlangt ein Warnetikett, wenn die Zelle bestimmte Chemikalien oberhalb von Spurenwerten enthält. Unsere Li-Poly-Zellen enthalten kein Blei, Cadmium oder sechswertiges Chrom oberhalb der Prop-65-Grenzwerte, jedoch Cobalt und Nickel oberhalb der Safe-Harbor-Werte. Wir bringen auf Verkaufsverpackungen für den Versand nach California ein Prop-65-Warnetikett an und bieten OEM-Kunden, die in andere US-Bundesstaaten versenden, ein optionales Etikett an.

Für die EU-REACH-Verordnung enthält der Zelleektrolyt Ethylencarbonat und Propylencarbonat, die beide unter REACH bei unseren vorgelagerten Lieferanten registriert sind. Wir verwenden keine SVHC-Substanzen über 0,1 % w/w. Die vollständige REACH-Erklärung befindet sich in unserer technischen Dokumentation.

Für RoHS liegen alle Zellen für Lesestifte unterhalb der Grenzwerte für beschränkte Stoffe. Die Zell-Tabs sind vernickelter Stahl, kein Bleilot. Die BMS-Komponenten sind bleifrei. Unsere Materialerklärung ist auf Anfrage erhältlich.

7. Zyklenfestigkeit und Alterung im Feld

Die Zyklenfestigkeit variiert je nach Chemie und Entladetiefe. Lesestift-Nutzer entladen typischerweise auf 20 bis 30 % SoC, bevor sie laden, was einer Entladetiefe (DoD) von 70 bis 80 % entspricht. Bei 80 % DoD liefern unsere Li-Poly-Zellen 500 bis 700 Zyklen bis 80 % Kapazitätserhalt. Unsere zylindrischen Li-Ion-Zellen liefern 800 bis 1.000 Zyklen bis 80 % Erhalt.

Im Feld entspricht das etwa 18 bis 24 Monaten typischer Nutzung für Li-Poly und 30 bis 36 Monaten für Li-Ion. Danach sinkt die Laufzeit spürbar und die Zelle sollte ersetzt werden. Wir bieten OEM-Kunden ein Batterieersatzprogramm zu 1,40 bis 2,80 USD pro Zelle je nach Modell mit 12-monatiger Garantie auf die Ersatzzelle. Der Leitfaden zum Batterieersatzprogramm für Lesestifte beschreibt das Programm im Detail.

Zellschwellung ist der dominante Feldausfallmodus bei prismatischen Li-Poly-Zellen. Schwellungen treten typischerweise nach 18 bis 24 Monaten auf und werden durch Elektrolytzersetzung verursacht. Wir bewerten Zellen so, dass sie einer Dicken­zunahme von 5 % über 500 Zyklen standhalten; Zellen, die 8 % überschreiten, werden bei der Eingangs-QC ausgesondert. Das Lesestift-Fehlerbehebungs-Playbook deckt die Feld-Triage ab.

8. Versandklassifizierung und Gefahrgut

Lesestift-Zellen sind als UN3480 (Lithium-Batterien) oder UN3481 (Lithium-Batterien, verpackt mit Geräten) klassifiziert. Für unsere standalone versendeten Ersatzzellen lautet die UN-Nummer UN3480. Für Stifte, die mit installierter Zelle versendet werden, lautet die UN-Nummer UN3481.

Für Luftfracht gemäß IATA DGR sind Zellen unter 2,7 Wh von den meisten Gefahrgut-Anforderungen befreit (Section II von PI 965 oder PI 968). Zellen zwischen 2,7 Wh und 100 Wh werden unter Section II mit einer Versendererklärung für Gefahrgut versendet. Die größte Zelle in unserem Sortiment ist T2 mit 9,25 Wh, deutlich innerhalb von Section II.

Für Seefracht gemäß IMDG-Code werden alle Lesestift-Modelle unter Sondervorschrift 188 versendet, die Zellen unter 100 Wh von den meisten Gefahrgut-Anforderungen befreit, wenn sie in kurzschlussgeschützten Behältern verpackt sind. Unser Umkarton enthält einen ESD-Beutel und einen Zellschutz, der SP 188 erfüllt.

Für EU-Straßenfracht gemäß ADR sind Zellen unter 100 Wh unter SP 188 befreit. Für US-Bodenfracht gemäß 49 CFR sind Zellen unter 300 Wh unter SP 188 befreit. Keine unserer Zellen überschreitet diese Grenzwerte.

9. Entsorgung am Ende der Lebensdauer und WEEE

Die Zellen von Lesestiften müssen über zertifizierte E-Schrott-Recycler entsorgt werden. In der EU verpflichtet uns die WEEE-Richtlinie, uns in jedem Mitgliedstaat bei einem nationalen Producer-Compliance-Schema zu registrieren und die Sammlung sowie das Recycling von Lesestiften am Ende ihrer Lebensdauer zu finanzieren. Wir sind in 18 EU-Mitgliedstaaten über die stiftung ear und entsprechende Stellen registriert.

In den USA verfügen die meisten Bundesstaaten über E-Schrott-Rücknahmegesetze. Wir arbeiten für das Zellrecycling mit Call2Recycle zusammen und bieten OEM-Kunden ein kostenloses Rücknahmeprogramm an. Der Leitfaden zum Recyclingprogramm für Lesestifte gemäß EU-WEEE behandelt das EU-Programm; der Leitfaden zu den Vorschriften für die Batterieentsorgung von Lesestiften beschreibt die weltweiten regulatorischen Rahmenbedingungen.

Der Umgang mit Zellen am Ende der Lebensdauer ist entscheidend. Beschädigte oder aufgeblähte Zellen müssen über einen zertifizierten Lithium-Recycler entsorgt werden, nicht über den Hausmüll. Unsere technische Dokumentation enthält einen einseitigen Entsorgungsleitfaden, der in 12 Sprachen übersetzt ist; OEM-Kunden können diesen Leitfaden in ihre Endverbraucherverpackung aufnehmen.

10. Die richtige Batterie für Ihr Programm wählen

Für ein OEM-Programm von 3.000 bis 5.000 Einheiten hängt die Wahl zwischen den Modellen hauptsächlich von Laufzeit und Kosten ab. Wenn Ihr Zielnutzer ein 4- bis 6-jähriges Kind zu Hause ist, sind der B1 (5 h) oder der B2 (5,5 h) die richtige Wahl. Zielgruppe 6- bis 9-jährige Kinder in der Schule, sind K7 / KF1 (6 h) oder Q6 (6,5 h) besser. Für lange Unterrichtseinheiten oder Programme für Englischlernende, bei denen der Stift den ganzen Tag läuft, sind der L5 (8,5 h) oder der T2 (14 h) die einzig sinnvolle Wahl.

Für ein Programm mit 30.000+ Einheiten, bei denen die BOM-Kosten am wichtigsten sind, liegen der B1 und der B2 mit 0,55 bis 0,70 $ BOM-Kosten für Zelle und BMS kombiniert im Sweet Spot. Für Premium-Programme, bei denen die Zyklenfestigkeit wichtiger ist, liefern K7 / KF1 / T2 mit zylindrischen Zellen eine 30 bis 40 % längere Nutzungsdauer.

Weitere Informationen zur Lieferkette finden Sie im Audit des Batteriezellen-Lieferanten für Lesestifte , in dem wir erläutern, wie wir Zellenhersteller qualifizieren. Informationen zur OEM-Batterieanpassung finden Sie im Einkaufsleitfaden zur Kapazität für BatterieanpassungenKaufberater.

Zur visuellen Orientierung folgt hier die Energie-vs.-Laufzeit-Übersicht für die 11 Lesestift-Modelle. Größere Zellen liefern mehr Wh, bringen aber auch mehr Masse mit sich. Der Kompromiss ist im nächsten Diagramm dargestellt.

FAQ

Weiterführende Lektüre

• Lesestift-Batterie-Leitfaden
• Batterie-Austauschprogramm für Lesestifte
• Vorschriften zur Batterieentsorgung von Lesestiften
• Audit des Batteriezellen-Lieferanten für Lesestifte
• Kapazität für Batterieanpassungen
• EU-Recyclingprogramm für Lesestifte
• Aktualisierung der Lesestift-Zertifizierung nach Produktänderung
• Audio-Codec und MP3-Komprimierung für Lesestifte