Porównanie mechanicznych zabezpieczeń ogniw

[Manekinen]

Rozebrałem dzisiaj dwa ogniwa aby porównać je w środku, najbardziej ciekaw byłem zabezpieczeń. Samsung ICR18650-20C oraz Bailong 6800mAh.

Najpierw jak to powinno wyglądać:


A teraz jak to wygląda w rzeczywistości:


Na dole widać rozebrany biegun dodatni ogniwa ICR, widać kolejno:
- cienka membrana, zabezpieczenie nadciśnieniowe, bez trudu przebiłem ją szpileczką
- bezpiecznik nadprądowy w postaci malutkiej PCB, przepala się w najcieńszym miejscu
- Element PTC, pozystor, w temperaturze pokojowej ma 0Ω, po nagrzaniu zapalniczką rezystancja rośnie do 50Ω i wyżej.
- biegun właściwy - wszystko zgodnie z pierwszym rysunkiem.


Na górze widać rozebrany biegun dodatni ogniwa Bailong, widać kolejno:
- biegun właściwy.

To coś po lewej to zwykła blacha która była na stałe zaciśnięta na biegunie. Te ogniwa nie mają ani jednego zabezpieczenia, po rozgrzaniu do wysokiej temperatury zwyczajnie wybuchną. Zabezpieczenie nadciśnieniowe spowoduje w miarę kontrolowane uwolnienie się gazu, często płonącego, ale to i tak dużo bezpieczniejsze jak wybuch.

Jeszcze dwa ciekawe linki gdzie widać "zabezpieczenia" w tanich ogniwach z Chin:
http://lygte-info.dk/info/batteryDisass ... %20UK.html
http://lygte-info.dk/info/batteryDisass ... %20UK.html


Kolejne zdjęcie to porównanie wkładu w ogniwach:

Po lewej Samusng, wkładu jest więcej (33g), nawinięty jest ciasno. Po prawej Bailong, gołym okiem widać że wkładu jest mniej (25g), rozwinął się bez trudu.

Jeśli chcesz grzebać w akumulatorach litowych, zapewnij sobie dobrze wentylowane pomieszczenie oraz gumowe rękawice - lit jest żrący. Podczas kontaktu ze skórą wytwarza się wodorotlenek litu który działa drażniąco na drogi oddechowe i pokarmowe, przy kontakcie z okiem występuje poparzenie a nawet utrata wzroku. Przed jakimkolwiek piłowaniem rozładuj akumulator do 0V przy pomocy żarówki.

A na koniec ciekawostka - rozładowanie Bailong 6800mAh prądem 1C

[michal1]

No, jest prawie... 680mAh

[marmez]

Piękne porównanie. Świetna robota! Dziękuję. Będę dokładniej wiedział czemu wolimy markowe ogniwa.
Pozdrawiam

[Manekinen]

Test zabezpieczenia PTC:



Test z łatwością przeprowadziłem za pomocą ładowarki iCharger 106B+ i trybu Foam Cut. Ograniczenie prądowe ustawiłem na 10A, a ograniczenie napięcia na 4V. Czemu nie na 4,2V? Ponieważ żadne ogniwo nie utrzyma takiego napięcia zaraz po tak dużym zwarciu. W ten sposób ładowarka będzie starała się utrzymać prąd 10A zwiększając napięcie, ale nie wyżej niż 4V - a dodatkowo zdejmie charakterystykę pracy PTC wraz z temperaturą.



Prąd początkowy to 10A, i uzyskuje się go przy napięciu 0,6V ponieważ PTC stanowi zwarcie, a rezystyancja wynika głównie z połączeń i przewodów. Pełne zwarcie trwa około 24 sekundy, po czym PTC osiąga już na tyle wysoką rezystancję która powoduje gwałtowny spadek prądu. Ładowarka stara się utrzymać prąd zwiększając napięcie, ale jak widać niewiele to daje. I tak oto przy 4V w stanie zwarcia kończymy przy prądzie 0,54A co jest bardzo bezpieczną wartością jak na stan zwarcia. Temperatura PTC pod koniec wykresu to 66°C, ale test przerwałem aby charakterystyka była krótka i czytelna - temperatura przy kolejnym teście urosła do 78°C. W tym stanie PTC zachowa wysoką rezystancję do póki nie zostanie odłączony od prądu i nie ostygnie.

W realnych warunkach prąd zwarcia będzie oczywiście wyższy, tutaj prąd ograniczała ładowarka. Przy wyższym prądzie i napięciu PTC nagrzeje się dużo szybciej ale i dużo mocniej, może on następnie rozgrzać ogniwo aż do zadziałania zabezpieczenia nadciśnieniowego, i jeśli wystąpi rozszczelnienie i uwolnienie gazów, to będzie ono w miarę kontrolowane i względnie bezpieczne.

Rozłupałem też ogniwa 6 najpopularniejszych producentów aby obejrzeć zabezpieczenia, i wszystkie wyglądają bardzo podobnie jak na pierwszym rysunku pierwszego postu, czyli zintegrowany CID nadciśnieniowo-prądowy, po zadziałaniu nie zawsze widać z jakiego powodu zadziałał, po prostu jest przerwany. Każde jedno ogniwo ma PTC. Tylko ogniwa Samsunga mają osobne zabezpieczenie nadprądowe w postaci ścieżki na PCB.

Tylko chińskie dziadoskie wynalazki nie mają żadnych zabezpieczeń.

[maciex93]

Bardzo ładnie wszystko pokazałeś, super! Tego tutaj brakowało.
Jaki model samsunga rozbierałeś? Chodzi mi o tego z tą malutką płytką pełniącą role bezpiecznika.

[Manekinen]

ICR18650-20C oraz ICR18650-24E Samsunga miały płytkę w środku.

Reszta, czyli Sanyo, Sony, MOLI, LG i Panasonic budowa taka jak na pierwszym rysunku. Wzrost ciśnienia lub nadmierny prąd powodowały przerwanie obwodu w tym samym punkcie, czyli tym cycku na środku. Dwie blaszki są delikatnie zgrzane (i ewentualnie nacięte) oraz delikatnie dociśnięte, dodatkowo jedna ma taką konstrukcję że wzrost ciśnienia powoduje przeskoczenie jej na "lewą stronę" tak jak wieko nakrętki słoika - wtedy obwód zostaje przerwany. Przy nadmiernym prądzie zgrzew jest po prostu przepalany.

Próbowałem zmierzyć prąd przy którym zabezpieczenie zostanie wyzwolone, ale na żadnym z nich 10A nie robiło wrażenia, a większym prądem w tak łatwy sposób (z ładowarki) nie dysponowałem, musiałbym nieźle kombinować.

Uwaga - przy rozbieraniu ogniw które wykazują objawy zadziałania CIDa (0V i nieskończona rezystancja) należy zachować szczególną ostrożność bo ogniwo w środku jest prawdopodobnie naładowane i sprawne.

Mam sporo ogniw LG z przerwanym obwodem, podejrzewam że gdyby nawiercić otwór przez zewnętrzną blachę bieguna i delikatnie zapunktować blaszkę CID, to ogniwo wróciłoby do żywych, lecz zabezpieczenie to już by nie zadziałało ponownie. Po za tym był też jakiś powód dla którego zadziałało, i może być rozszczelnione co będzie powodowało wyciek elektrolitu przy ładowaniu lub rozładowaniu. Próbowałem też ładować rozszczelnione ogniwo, i po około 2 tygodniach samoistnie rozładowało się do 0V, prawdopodobnie z powodu dostania się tlenu do środka.

[Manekinen]

Ogniwo LG DB118650 z wyzwolonym CIDem. Wiek 5 lat lub więcej, pochodzenie zużyta bateria laptopa Dell. W 3 bateriach było 18 ogniw, z czego aż 7 z objawami zadziałania CID. Po rozwierceniu górnej blaszki i delikatnym dociśnięciu zabezpieczenia, na mierniku pojawia się 4,14V. Przypominam że ogniwo nie było ładowane od dobrych kilku lat, CID wystrzelił prawdopodobnie w końcowej fazie ładowania z powodu awarii elektroniki nadzorującej. 4,14V, gdzie Bailong po naładowaniu pod sam korek miał 4,09V po 5 dniach. Niezła przepaść...



Przy próbie wbicia zabezpieczenia punktakiem, to pękło i uwolniło gaz pod ciśnieniem, widać że to właśnie podwyższone ciśnienie było przyczyną zadziałania CIDa. Mój błąd, bo podczas wiercenia uszkodziłem blaszkę wewnątrz. W drugim ogniwie górę zdjąłem obcinaczkami, i wciśniecie blaszki obłym przedmiotem spowodowało załączenie CIDa.



Ogniwo obecnie podładowywuje się do 4,2V, i mam zamiar zmierzyć jego pojemność. Sprawne ogniwa z tych samych baterii po wyjęciu miały 3,6-3,7V i około 60% pojemności, a te uszkodzone po 4,10-4,15V, i podejrzewam że będą w dużo lepszym stanie jeśli chodzi o pojemność

To jest tylko eksperyment, niech nikomu nie przyjdzie do głowy aby w ten sposób "ratować" ogniwa bo zabezpieczenie drugi raz może nie zadziałać!

[tiuro]

I jak z ppojemnością tych uszkodzonych vs te 3.6?

[Manekinen]

Sprawdziłem tylko jedną sztukę. Pierwszy cykl po podładowaniu to około 1450mAh, drugi pełny cykl około 550mAh - rezystancja się strasznie rozjechała, podejrzewam że CID popuścił, ale nie chciało mi się już przy nim grzebać. Wcześniejsze sprawne ogniwa 1500-1600mAh.

[Manekinen]

Tak wygląda test mechanicznego zabezpieczenia nadprądowego na PCB ogniwa samsung. Niestety nie wiem przy jakim prądzie się ono przepala, bo stabilizowane 10A którymi dysponuję to za mało, a zgrzewarka z prądem do 1kA przepala je w ułamku sekundy Trochę ciężko to zmierzyć.


Wrzucę jeszcze zabezpieczenia różnych ogniw. Zdjęcia wykonałem już wcześniej ale całkiem o nich zapomniałem.

LG DB118650. PTC to dwa elementy z lewej. Jedna blaszka jest zgrzana z drugą, ale miejsce wokół zgrzewu jest nacięte, dzięki czemu przepali się jeśli popłynie zbyt duży prąd, i przerwie się jeśli na górną blaszkę będzie napierało zbyt duże ciśnienie.


MOLI ICR-18650H. Praktycznie identyczna konstrukcja.


Panasonic CGR18650A. Również podobna konstrukcja. Dodatkowo całość jest zaciśnięta aluminiową "pigułą" i dopiero to jest sprasowane w obudowie ogniwa właściwego.


Panasonic CGR18650H. Identyczny mechanizm jak powyżej, ale nie wyzwolony.


Sanyo bordowe, nie pamiętam jakie. Aluminiowa piguła posiada stalowy element który dotyka lub jest zgrzany (już nie pamiętam) z membraną ciśnieniową, i tutaj następuje przerwa.


Sony Energytec US18650S. Mała blaszka widoczna po lewej stronie idąca wprost z wkładu ogniwa jest zgrzana z tym wypustkiem z elementu trzeciego, tak jak zwykle zgrzew puszcza przy nadmiernym prądzie, lub jest zrywany przez membranę z powodu ciśnienia.


Sony US18650GR. Identyczne jak wyżej, ale nie wyzwolone.


Sony Energytec 26650 MIK13C - ogniwo 26650. To samo ale w większej skali.


We wszystkich ogniwach przedostatni element to PTC, zawsze znajduje się przy samym biegunie. Nie wiem, może pomaga to przechwycić ciepło jeśli nadmiernie wytwarzane jest ono w miejscu styków koszyka, i wtedy również zadziała?

Ogniwo pryzmatyczne typu 103450. Pod plastykową osłoną jest bezpiecznik, niestety nic o nim nie znalazłem, ale przypuszczam że chroni termicznie i prądowo bo w ogniwie takich zabezpieczeń już nie ma.


W środku nic ciekawego, po prostu blaszka z wkładu zgrzana z punktem w którym minus przechodzi przez obudowę. Ten mały czarny pypcik to zawór ciśnieniowy, po drugiej stronie jest przetłoczenie które ma się ponoć rozerwać, ale rozcinałem to obcinaczkami i wcale nie była to słaba blaszka, więc nie mam pojęcia jak to ma zadziałać. W ogniwie nie znalazłem PTC.


Znalazłem jeszcze coś ciekawego http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi. ... 037250.pdf