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Struttura interna delle celle A123 ai nanofosfati: vavola di sfogo o buco di riempimento?

Posted in batterie by jumpjack on 25 maggio 2013
Sono riuscito a trovare il brevetto delle celle A123 LiFePO4 ai nanofosfati.
In vari forum si legge che queste celle sono dotate di valvole di sfogo per evitare esplosione della cella in caso di malfunzionamento, ma alcuni forum dicono che questa valvola sarebbe il forellino sul polo negativo, altri dicono che è l’intero polo positivo a “saltare via” in caso di sovrappressione.
Il sistema di rottura di emergenza delle celle A123 non è un foro, ma una scanalatura circolare di spessore specificamente studiato per cedere in caso di sovrappressione per evitare che la cella esploda.

Risulta quindi essere solo una leggenda metropolitana il fatto che il foro sul polo sul polo negativo e il quasi-foro sul polo positivo siano valvole di sfogo: il primo è il foro da cui viene inserito l’elettrolita DOPO che la cella è stata assemblata; sul secondo non ho trovato dati.

Il fatto che il polo positivo “salti via” in caso di sovrappressione è più plausibile.

In ogni caso, non è vero che bisogna usare linguette forate/tagliate per lasciare aperta la valvola di sfogo!! Il motivo per cui certe celle hanno le linguette forate probabilmente è che talvolta vengono saldate alla cella durante la fabbricazione della cella stessa, e devono quindi lasciare accessibile il foro per l’inserimento dell’elettrolita.

Per quanto riguarda i materiali dei fondelli (alluminio, nichel o alluminio placcato di nichel), vedere [0048] e [0052]. Il corpo è in alluminio

Ecco un estratto del brevetto:

[0043]The battery cell package design uses a low weight and highly compact aluminum housing, and is typically an aluminum alloy such as AI3003H14. Aluminum and aluminum alloys provide high specific modulus and high specific stiffness in the structure and a high strength to weight ratio. Aluminum is also one of the few materials that are stable at the cathode potential of a Li-ion cell. Several features of the battery design are shown in the exploded diagram of FIG. 1. The cell design includes a positive end cap (1), a cathode extension tab (2), an insulation disc (3), a cylindrical tube (4), a negative end cap (5), anode current collection tabs (6), cathode current collection tabs (7), and internal active cathode and anode materials (electrodes) (8a and 8b). Although exemplary embodiments discuss cylindrical tubes, other shapes or outer configurations can be utilized. The positive end cap (1) contains both the positive battery terminal for the cell as well as the cell’s vent mechanism. The cathode extension tab (2) acts as an electrical connection between the cathode current collection tabs (7) and the cell’s external positive terminal (1). The insulation disk (3) includes slots (3a) through which the current collection tabs extend. The insulation disc (3) prevents the cathode current collection tabs (7) and the cathode extension tab (2) from shorting to the internal active cathode and anode materials (8a and 8b). The cylindrical tube (4) acts as the main housing for the cell package.

Read more: http://www.faqs.org/patents/app/20090029240#ixzz2UKHCSSfK
[0047]The positive end cap (1) includes an engineered vent score (10) and a nickel interface terminal (9), as illustrated in FIG. 3. The engineered vent score opens under a predetermined internal pressure, letting large amounts of gas and material exit the cell if necessary. The vent is an annular groove (*) located near the periphery of the positive end cap, disposed between the end cap circumference and the nickel terminal. The groove can be located on the inner or outer face of the end cap, or both. In one or more embodiments, the groove is located on both the inner and outer faces of the end cap. The grooves may oppose one another or be offset from one another. The groove provides a thinned radial section in the end cap that is designed to rupture at a preselected pressure. The annular groove forms an arc on the end cap that is in the range of about 150 degrees to a full 360 degrees, or about 180 degrees to about 300 degrees. The actual arc length will depend on the size of the cell. The arc length can be selected so that the end cap hinges when ruptured and the ruptured end cap is not severed from the battery can, but also can be up to about a full 360 degree arch with no apparent hinge. A further advantage of the annular groove is that it serves to thermally insulate the terminal during welding of the end cap to the battery body. The groove is introduced by conventional methods, such as stamping, scoring or scribing and the like.

[0048] The nickel interface terminal (9) provides a low resistance, corrosion resistant battery terminal, as well as a weldable interface for connecting batteries together in packs. The nickel plate can range in thickness and typically has a thickness in the range of about 75 μm to about 125 μm. Thicker terminal plates are particularly well-suited for high power batteries. In one or more embodiments, the body of the cathode cap is aluminum and, for example, is the same aluminum alloy as the battery tube. In one or more embodiments, the cathode cap may be plated with a layer of nickel on its outside surface. The nickel interface terminal is then either resistance (spot) welded to the cathode cap to give a mechanically robust interface, re-flow soldered to the nickel plating layer to give an electrically robust interface between the two parts, or both. Other welding and soldering techniques may be used, for example, ultrasonic welding or electrically conductive adhesives. Suitable solder includes solder having a melting temperature above the maximum use temperature of the battery. This joining technique between the Ni terminal and the AI cathode cap is unique in the battery industry.

[0049]The pressure vent occupies a peripheral region of the end cap face and does not interfere with the location and securing of the nickel terminal. The nickel terminal cross-sectional area can be quite large and can occupy a significant portion of the end cap face. This serves to reduce cell impedance and to provide cell to cell weld-ability during pack assembly.

[0050]FIGS. 4A-4C depict a negative end cap (5) including a centrally located fill hole (40). The fill hole is used to activate the cell once assembled and is defined, at least in part, by a hollow bore rivet (45) which makes up the power terminal. Dual use of the central location of the negative end cap as both a fill hole and as a power terminal provides efficient use of space and does not interfere with battery operation. The fill hole (40) is centrally located in the end cap face. The centrally located fill hole provides a feed through inlet fittingly disposed within the hole and connecting to the interior of the cell. Electrolyte is introduced through this feed through inlet during activation. Read more: http://www.faqs.org/patents/app/20090029240#ixzz2UKEIxzRg
[0052]Rivet(*) (45) may be Ni plated steel for both good corrosion resistance and good weldability, which serves as the power terminal for the cell.

a123-fig1-2-3
a123-fig4A
Tutto questo significa che non c’è motivo di usare le limguette bucate/spaccate piuttosto che quelle piene:
a123-ok
a1239-nohole
Infatti probabilmente quelle bucate sono semplicemente quelle presaldate dalla A123 al momento dell’asemblaggio della cella: dovevano lasciare il buco di riempimento libero, in modo da poter “attivare” la cella solo al momento della vendita, prevenendo quindi il “decadimento da magazzino” cui sono soggette le celle al litio, che cioè perdono irreversibilmente capacità nel tempo anche se non vengono usate. Ma se non contengono elettrolita, non avviene nessuna reazione chimica, quindi non decadono, e nel momento in cui vengono riempite, sono di fatto nuove di zecca!
Dico “dovevano” perchè la A123 è fallita nell’estate del 2012 ed è stata acquisita dalla cinese Wanxiang, che però al momento non sembra ancora intenzionata a mettere in vendita celle a nanofosfati, quindi probabilmente tutte quelle che si trovano in vendita sono fondi di magazzino.
AGGIORNAMENTO 27/5/2013
Trovata documentazione originale della A123 su come assemblare un pacco di batterie di celle A123.
a123-venting
Ecco un’altra immagine ufficiale della valvola di sfogo (“vent”) delle celle 26650:
a123-vent-2
Per le celle più piccole (ANR18650)  la valvola di sfogo (“vent”) è sempre sul polo positivo, ma ha l’aspetto di quattro forellini sul “tappo” della batteria:
a123-vent-3
Infine, per le celle più grosse (AHR32113 da 4,5Ah) il vent è così posizionato:
a123-vent-4
Il documento inoltre sconsiglia di saldare a stagno i terminali delle batterie, ma di usare “spot welding” (saldatura a punti) o “resistance welding” (saldatura a resistenza); sfortunatamente, per questo tipo di saldature servono macchinari professionali da alcune migliaia di Ampere!!
C’e poi un’altro punto fastidioso:
Discard any cells that have been subjected to even a brief external short circuit.

Cioè, si dovrebbe buttare una cella anche se per sbaglio è rimasta cortocitcuitata anche solo per un attimo…
(*) Groove= scanalatura
(**) Rivet = il rivetto del polo positivo
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2 Risposte

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  1. GianniTurbo said, on 25 maggio 2013 at 19:19

    Quindi il tuo lavoro di cambiare le linguette è stato inutile…

    • jumpjack said, on 25 maggio 2013 at 21:46

      Esatto! Vatti a fidare dei forum…

      Sent from my Sony Ericsson Xperia mini pro


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