Lithium Akkus - Auswahl und Pflege


#1

Hallo an die Community,

Ich hoffe, ich darf hier einfach posten.

Es wurde von einem Mitglied hier einst ein Akku bei mir gekauft. Bei Fragen zur Schutzschaltung schickte mir besagtes Mitglied einen Link des Forums, in dessen Threat ich mich erst einmal einlesen musste, um die Frage beantworten zu können.

Da bin ich immer wieder auf das Thema Energieversorgung mit Powerbank / Selbstabschaltung / Laden während der Benutzung (also praktisch USV Betrieb) und ähnliches gestoßen.

Ich würde gerne ein paar allgemeine Dinge zum Thema Lithium Akku abgeben, da dieses Thema anscheinend alle betrifft.

Dabei würde ich mich auf die Akkus beziehen, mit denen ich am meisten praktische Erfahrungen hatte und den aktuellen Entwicklungsstand kenne. Natürlich auch nicht ohne die negativen Seiten dieser Akkus aufzuzeigen.

Lithium Polymer.

Hierbei geht es um die Eigenschaften und Sicherheiten der Zellen.

Es werden auch ein paar schöne Fotos von eigenen Versuchen an Zellen folgen, um dem Threat etwas „substanz“ zu geben, aber vorerst würde ich gerne grundlegende Dinge erörtern.

Lithium-Polymer

Vorteile:

  • Lithium Polymer Akkus sind die Akkus mit der höchsten Leistungsdichte am Markt. Obgleich die Akkus nur eine „minderwertigere“ Form der Lithium Ionen Akkus sind. Dazu kommen wir aber noch. Die Leistung liegt hierbei bei bis zu 180W/h und übertrifft seit einiger Zeit auch den Lithium Ionen Akku in der Leistung.
  • Weiterhin besitzt dieser Akku ein gelartiges nicht flüssiges Elektrolyt. Dadurch kann der Akku in nahezu jeder Bauform produziert werden, eine vollkommene Abriegelung ist nicht notwendig.

Auch die Reaktionsfreudigkeit bei Lithium Polymer ist "geringer" als bei Lithium Ionen Akkus, da diese nur durch eine Folierung geschützt sind, und so Spielraum zum Ausdehnen haben. Ein beschädigter Lithium Akku kann meist auch frühzeitig an leichten „Blähungen“ erkannt und ausgetauscht oder „repariert“ werden, aber dazu später mehr.Bei Lithium Ionen Akkus befindet sich die Zelle in einem vollmetall Gehäuse, welches meist größeren Schaden durch den Druckstau bei Zellschäden verursacht.

Nachteile:

Natürlich gibt es auch Nachteile gegenüber Lithium Ionen Akkus.

Hierbei muss man bedenken, dass Lithium Polymer nur eine Unterklasse von Lithium Ionen Akkus sind und somit nicht an die „Qualität des Originals“ ran kommt.

  • Wer einen Lithium Polymer Akku kauft, sollte besonders auf das Alter schauen. Akkus oder Lithium Polymer basierte Powerbanks ohne Produktionsdatum am Besten nicht anfassen. Gegenüber Lithium Ionen Akkus haben Lithium Polymer nämlich eine sehr begrenzte Lebensdauer. Diese liegt zwischen 4-7 Jahren und hängt sehr damit ab, bei welcher Temperatur die Zellen benutzt werden. Sind Akkus älter als 1 Jahr, sollte man einen Kauf eventuell überdenken.

  • Auch die Anzahl der Zyklen ist sehr begrenzt. Kommt ein Lithium Iionen Akku auf ca. 1.000 Zyklen, ist man bei Lithium Polymer bei max. 700 Zyklen bei einer guten Qualität angekommen.

  • Und ja, Lithium Ionen Akkus halten auch hohe Temperaturen besser aus. Die Zellchemie bei Polymer Akkus zersetzt sich sehr viel schneller als die von Lithium Ionen. Temperaturen über 50 Grad beeinträchtigen die Lebensdauer, ab 60 Grad baut sich die Zellchemie rapide ab.

  • Und natürlich sind Lithium Ionen Akkus entsprechend günstiger. INR18650 Zellen von Samsung mit 3,6V 3.500mAh (Physikalische Leistungsgrenze ist 3.600mAh – also sollte jemand einen 18650 Akku mit einer höheren Kapazität finden, ist er garantiert gefälscht) gibt es auf Ebay schon für 5€ pro Zelle – die gleiche Kapazität bei Lithium Polymer kostet ca. 10€. Wobei dies von der Entladerate abhängt.

Zusammenfassend kann man sagen:
Ein LiPo ist sicherer und hat gleichzeitig eine höhere Kapazität.
Ein LiIon ist dafür um einiges haltbarer und resistenter.

Die Entladerate

Standart werden Lithium Polymer Akkus mit einer Entladerate verkauft.

Diese zeichnet sich in Coloumb © ab.

Ein Akku mit 2.000mAh und 2C Entladerate hat

2.000mAh x 2 © = 4.000mA = 4A Entladestrom. je höher die C-Rate ist, desto niedriger ist natürlich die Energiedichte

Leider muss man das immer sagen. Wir haben viele Kunden, die darauf brennen unsere Akkus zu kaufen, weil sie so viel Kapazität haben – und bekommen dann enttäuschte Gesichter, weil die Drohne nich fliegen will oder das RPI USV Board 1,8A in einen 600mAh Akku zu drücken (Laden) versucht und die Schutzschaltung sagt: Nicht mit mir.

Ein weiterer Vorteil durch Low Rate Akkus (Akkus unter 2C Entladerate) ist der hohe Innenwiderstand. High Rate Akkus haben einen Innenwiderstand von 5mOhm, welcher niedriger ist als der der meisten Anschlussleitungen eures Mikrocontrollers. Bei Kurzschluss können Ströme von mehreren 100 Ampere fließen und Akku wie auch Elektronik dahinter binnen Augenblicken zerstören.

Low Rate Akkus haben einen Innenwiderstand von >80mOhm, welcher bei Kurzschluss reaktionsträger ist. In unseren Versuchen hatten wir bisher keinen Akku dabei, der bei Kurzschluss direkt explodiert ist. Dauert der Kurzschluss jedoch längere Zeit an, würde auch der Akku thermisch aktiv werden (hier kommen bald Kurzschluss Bilder von low rate rein)

Das Laden des Akkus:

Standart Lithium Polymer Akkus haben eine Ladeschluss Spannung von 4,2V. Neuerdings gibt es auch HV Akkus mit 4,35V, aber um die kümmern wir uns vorerst nicht.

Lithium Polymer Akkus sind sehr empfindlich. Schon geringe Abweichungen von der Norm können irreversible Schäden mit sich ziehen.

Daher kurz die wichtigsten Angaben:

Ladeschlussspannung: 4,2V

Nennspannung: 3,6-3,7V

Entladeschluss:

3,0V im belasteten Zustand

3,3V im unbelasteten Zustand

Max. Ladestrom: 1C (bei einem 1.000mAh Akku sind das also 1A).

Der max. Ladestrom von 1C ist eine Standart Angabe bei LiPo Akkus. 0,2C ist der erwünschte Ladestrom für optimale Lebensdauer, 0,5C der Standart Ladestrom und 1C der Max.

Kann man sich so merken:

Wer 700 Zyklen haben will benutzt 0,2C

Bei 400 Zyklen 0,5C

Und wer nicht mehr als 200x laden will benutzt 1C.

Dabei gilt - industriell gesehen - ein Akku als “tot”, wenn er weniger als 70% seiner Ursprungskapazität besitzt.

Dabei hängt die Laderate natürlich stark von der Zellchemie ab, die vorher geschriebenen Werte sind jedoch die, die von fast jedem produzierenden Unternehmen vorgeschrieben sind. Für jeden LiPo Akku.
Die ideale Ladetemperatur liegt bei Raumtepmeratur (19-22°C)

Wie lädt man Akkus?

Der einfachste Weg ist: mit einem Ladegerät. Ich habe mir selbst mal vor ewigen Zeiten ein 10er Pack kleine 1A Lithium USB Lader (einfach bei google eingeben) bestellt, die reichen für meine Projekte. An jedem Akku ein Lader geklebt und bei bedarf den Mikro USB Stöpsel dran.

Kleiner Tip: Akkus nie voll laden. Wenn ihr sie nie voll laded oder nie leer macht, halten die Akkus trotz dauernder Benutzung Jahre durch. Um das zu erreichen könnt ihr bspw. Die Ladespannung vom Laderegler von 4,2 auf 4,1V senken, indem ihr eine Diode davor klemmt.

Achtung, eigene Meinung:

Ich weiß, ich ernte viel Häme, wenn ich das zugebe, aber: Ich mach einfach einen großen tropfen Heißkleber auf den akku und drücke die vorgelöteten Lader mit dem 5V USB Ausgang (Suchbegriff Google 5V USB Stepup) direkt auf den Akku, kauf mir polymorphes plastik, wickel den Akku darin ein und hab ne fertige Powerbank im Hardcase, die ich laden und entladen zugleich kann. Ich habe daran nie Sicherheitsprobleme gesehen oder Leistungseinbußen bemerkt, wenn die mal kurzfristig mehr als 100 Grad haben.

Das Bild (hoffentlich wird’s hochgeladen) zeigt oben beschriebenes mit 2x 3.400mAh Akkus parallel, die seit ca. 1 Jahr und 100 Ladezyklen laufen… Sieht man ihr auch an. Hat bisher immernoch 95% der Ursprungskapazität.


Bitte entschuldigt die Hässlichkeit, sie musste einiges mitmachen, und ich habe ihr das meiste vom Gehäuse für andere Reparaturen “geklaut”.

Die Schutzschaltung:

Zuguterletzt (vorerst) noch etwas zur Schutzschaltung:

Lithium Akkus – besonders Lithium Polymer Akkus für Endgeräte – kommen immer häufiger mit Schutzschaltung.

Diese Schutzschaltung ist jedoch nur auf maximal Werte ausgelegt.

Ich kann nur von unseren standart Akkus reden, aber wir haben beispielsweise bei allen Akkus die Werte:

Schutzabschaltung ab 4,275V

Schutzabschaltung bei Entladung bei 3,0V (unter Last)

Schutzabschaltung bei Kurzschluss (Alles größer 1C sorgt dafür, dasss der Akku sich abschaltet)

Die Abschaltungen werden nur unterbrochen, wenn die Fehlerquelle unterbrochen wird. Heißt: Macht der Tüftler nix, macht der Akku auch nix. Bei Kurzschluss muss er einen Reset bekommen (von Stromquelle trennen) wie auch bei einer Unterladung. Andere Händler sollten aber auch diese Schaltungen anbieten, es ist praktisch ein Standart bei Low Rate Akkus geworden.

Achtung: High Rate Akkus sind etwas Anderes. Diese besitzen von vornherein keine Schutzschaltung, da sie meist im RC/Modellbau angewendet werden.

Das war´s vorerst. Es gibt noch eine ganze Menge mehr über LiPo Akkus, das kommt jedoch schrittweise. Viel Zeit zum schreiben habe ich nicht.

Gerne können auch ein paar weitere Mitglieder spezifischer werden oder besagtes kommentieren :blush: Ich lerne selbst gerne dazu.

Edit:
Wollt ihr euren LiPo 100% sicher betreiben, kauft euch einen LiPo Bag
Suchbegriff
LiPo Guard
LiPo Safety Bag

Viele Grüße

Daniel Beck


#2

Danke für diesen wirklich ausführlichen Bericht!


#3

Danke - aber ich glaube das gehört eher zu Stromversorgung.
War mir da uneins, wo man den Threat erstellen sollte


#4

Hallo Daniel,

dafür das Du keine Zeit zum schreiben hast, war dies aber ein wirklich sehr ausführlicher Bericht. Und selbst für mich war noch das ein oder andere Neue dabei. Ansonsten kann ich Dir nur voll zustimmen.

Eine Frage hätte ich aber noch. Bei welcher Entladerate © wird denn die nominale Kapazität gemessen? Gibt es da irgendeinen Standard?

Gruß
Papa


#5

Vielen Dank^^
Die nominale Kapazität wird bei 0,2C gemessen, unabhängig von der tatsächlichen Entladerate.
Viele Grüße


#6

Moin Daniel und danke für die ausführliche Beschreibung.
Mir ist in den letzten Tagen vermehrt das Thema Sicherheit aufgefallen. Was genau heißt denn “Ein LiPo ist sicherer” bzw. im Umkehrschluss - Ein LiIon ist weniger sicher? Wovon hängt diese Sicherheit ab? Sind es die Zellen Selbst bzw. das verbaute Material oder sind es eher die Verbindungen oder gar fehlende Sicherungen?

Ich habe das V3 Shield mit einem gesicherten 18650 Akku. In einem anderen Thread habe ich eine ähnliche Kombination mit zusätzlicher Sicherung (1A) zwischen Akku und Arduino entdeckt - Macht eine weitere Sicherung an der Stelle Sinn?

Ich möchte das Thema Sicherheit nicht kleinreden aber ich möchte auch nicht meine Bremsen im Auto mit einem Anker für den Notfall absichern (mir ist einfach kein guter Vergleich eingefallen :slight_smile:).


#7

Also,

Wenn ich mal die eigene Meinung schreibe und das Ganze Sicherheitszeug aussenrum weg lasse:

Ich habe bis heute ca. 10.000 LiPo Akkus verkauft und ca. 100 “geschrottet”. Sei es versehentlich, bei Tests, oder durch falsche Handhabe, also wiederum: “versehentlich”.

Weiterhin bearbeite ich Sonderanforderungen, jeden Tag verlöte ich ca. 20 Akkus neu.

Insgesamt sind mir dabei in meinem Leben 3 Lithium Akkus explodiert (ich hab sogar Bilder davon).

  • der Erste war ein 10.000mAh 30C LiPo, den ich knapp 3 Jahre lang verbraucht habe. Das war vor 6-7 Jahren. Es war ein Flouren - damals eine absolute Schrott Marke, aber billig. Der hat sich direkt neben mir eigenständig aufgebläht und ist aufgeplatzt, in einem beachtlichen Feuerball.

  • Der zweite war ein 18650 Li-Ion Akku. 2 Jahre in einem Ebike gewesen, 3 mal auf 4,3V überladen aber dennoch überlebt, ca. 300 Zyklen drauf. Ich wollte ein paar von denen in meiner Bohrmaschine “aufbrauchen” und bin beim Löten an die falsche Kontaktstelle gekommen. Der Akku ist daraufhin an der Front aufgeplatzt, wie eine Rakete quer durch die Werkstatt geflogen und hat alles auf seinem Weg verbrannt, was irgendwie brennbar war. Dann ist er auf einer Ablage gelandet und hat die nächsten Minuten weiter alles fröhlich verbrannt.



  • Der letzte war etwas ernster. Ich wollte wissen: Ab wann gehen LiPo Akkus flöten? Bei Li-Ion reicht meist ein Kurzschluss, um die Metallhülle zu durchbrechen und schwere Reaktionen hervor zu rufen.

Dabei habe ich 2 brandneue LiPo jeweils auf 3,8 (den flachen 3.000mAh) und 4,1V (der 2.700mAh) geladen und … zerschnitten zerknäult und Nägel rein getrieben.
Das erste Bild zeigt den 3.000er, nachdem ich ihn mit einer Schere zerschnitten habe und einen Nagel reintreibe.

Nachdem ich bei dem voll aufgeladenen 2.700mAh bereits den 2. Nagel durchgeschlagen habe, gab es endlich eine thermische Reaktion (ein “explodieren”) wobei nur Dampf austritt und der Akku auf der Stelle anfängt zu brennen.



Ich vertraue Li-Ion generell nicht. Eventuell zu unrecht, aber mir macht es Angst nicht zu wissen, wie es hinter dem Metall gerade aussieht.
Das gesamte Gehäuse ist ein Minuspol, Kurzschlüsse sind in Gegensatz zu LiPo extrem einfach zu machen.

Bei LiPo ist das was Anderes. Meine LiPo Werkstatt befindet sich in meinen Wohnräumen, und ich habe immer ca. 100 LiPo Akkus irgendwo verteilt, ohne mir Gedanken zu machen, dass bald einer hoch geht. Meist blähen sie zuerst.

Bei High Rate Akkus ist das noch was Anderes, da schau ich, dass möglichst kein Akku über Nacht nicht gekühlt im Metallschrank verbringt.

Um auf deine Frage übrigens zurück zu kommen: Akkus mit Schutzschaltung sind in der Regel sicher und die Schutzschaltung sogar flinker als die Sicherung. Dies gilt für LiPo wie auch für LiIon. Daher braucht man normalerweise keine zusätzliche Sicherung. Jedoch solltest du dann auf die Kabeldimensionierung achten. Sollte deine Schaltung einen “Kurzschluss” produzieren, dessen Widerstand eventuell durch verkohlte Teile noch teils vorhanden ist, können schnell mal hohe Ströme fließen, die sogar die Schutzschaltung locker abfängt.
aber 18650 würde ich mir dennoch nicht holen.

Ich dachte, ich nutze mal deine Frage, um ein bisschen ausführlicher zum Thema Sicherheit/Brandfall zu schreiben, wobei alles rein eigene Meinung ist :wink:

Grüße


#8

Danke für die ausführliche Antwort.
Wenn ich die Bilder sehe und an die (ebenfalls 18650er) LiIon Akkus in der Kopflampe oder der Powerbank sind, die ich auf dem Kopf bzw. in der Tasche trage, wird mir ganz schummrig :smile:


#9

Bleibt nur die Frage was genau nun verbauen wenn es kein 18650 sein soll…
Incl. Ladeelektronik
PCB
Und beim Laden auch noch den Verbraucher versorgen.

Gruß Björnar


#10

Ich versteh die Frage nicht…
Beim Laden Verbraucher versorgen kann jeder Akku, jeder LiPo hat ein PCB, welches beim Laden UND Entladen funktioniert.

  • bis auf Powerbanks, die sind meist so billig gebaut, dass die sich Chips und Spulen teilen müssen, und so entweder nur laden oder nur entladen geht.

Ich schreib diese Woche mal ein kleines Tutorial für die Stromversorgung.

Weiterhin - es gibt auch Lithium-Eisen Akkus.

Kurze Angaben:

5.000 - 10.000 Zyklen
10-15 Jahre Lebenszeit
100% Schutz gegen Explosion oder Überhitzung
Kann tiefentladen werden
kann man auch als 14500 Bauform (AA Batterie) und 18650 kaufen.
Halbe Energiedichte von standart Lithium Zellen

Wenn du etwas 100% sicheres haben willst, was sogar deine Boxen überdauert, und von dem noch nie auf der ganzen Welt einer explodiert ist - dann hol dir LiFePo4…


#11

Kann das Wemos v3 Shield auch mit einem 18650er LiFePo Akku (3,2V) betrieben werden?


#12

Ich frage mich, wozu das Shield gut sein soll.
Ich habe mir die Bauteile darauf angesehen.
Im Grunde ist es doch nichts Anderes als ein Laderegler und Stepup Converter in einem, mit einem standart Batterieschutz IC, wie er in allen protected Akkus verbaut ist.
Nur, dass man auf Li-Iion oder Li-Po angewiesen ist, ohne Einstellmöglichkeiten. Finde ich schade.

Solche Teile gibt es als extrem einfache Einzelbauteile etwas spezialisierter für ein paar Cent zu kaufen.

Ich wusste nicht, dass das Problem vom Laden und Entladen von Batterien hier schon bei der Schaltung anfängt, daher habe ich das einfach vernachlässigt…

Es gibt diese Woche ein kurzes Tutorial dazu :slight_smile:


#13

…ich meinte das auch auf Akku und Schaltung bezogen.

Vorzugsweise sollen hier ja “Fertig” Komponenten verwendet werden um jeden das Nachbauen so einfach wie möglich zu machen.

Das Wemos Shield D1 oder für 18650 ist halt fix und Fertig aber nur ohne Akku.
Wenn ich das richtig verstehe können diese aber keine LiFePo4

Das könnte doch z.B. etwas sein.


#14

Hier noch eine Alternative über Pearl:


#15

Bitte gedulden. Es gibt fertig teile, die eine viel bessere Alternative zur Powerbank sind, und wenn sich jeder im Klaren ist, wo + und - ist und einen Lötkolben hat, hat er auch die Voraussetzungen, die Teile miteinander zu verbinden.

Ich würde aber gerne etwas Zeit für eine lückenlose Erklärung haben…


#16

Die hast du! …und jetzt geht es erstmal unter den Baum…


#17

Schön das wir hier jetzt einen absoluten Akku Profi an Board haben. Aus meiner Modellbauzeit hab ich auch noch jede Menge LiPos, die erst entsorgt werden wenn die sich wabbelig anfühlen und einen leichten Blähbauch bekommen. Aktuell nutze ich für PowerTools und Taschenlampen fast nur noch 18650er LiIon Akkus. Bisher war ich der Meinung die sind “sicherer” als die LiPos. Die Lipos lagern bei mir alle in Metallkisten, die 18650er nicht. Zumal die auch in so ziemlich allen Powerbanks und dicken Akkupacks für diverse Geräte drin sind.
Vor allem wenn ich mir die Taschenlampen mit geschlossenem Alugehäuse so anschaue und bei den aktuellen Strömen die so eine high Power LED zieht, wundert es einen das so wenig passiert…
Ein paar dicke LiFePo4 Akkus liegen hier auch schon rum, aber irgendwie scheint mir, dass es ein wenig an günstigen Ladeschaltungen mangelt. Ich warte auch jeden Fall gespannt auf deine weiteren Ausführungen.


#18

Ich glaube, High Rate Akkus sind nochmal eine andere Nummer :wink:
18650er haben ein robustes Metallgehäuse
LiPo´s nicht.
Daher benutzt man, wenn der End-Benutzer damit in Kontakt kommen soll, lieber Li-Ion

Es kommt wirklich darauf an, wofür die Akkus eingesetzt werden. Welcher der beste und sicherste Akku in welcher Situation ist, hängt von der Art der Verwendung ab. In geschlossenen Gehäusen, in denen End-Benutzer normalerweise keinen Zugriff haben, kommen meist LiPo zum Einsatz, wenns billig werden soll (hochkapazitive Powerbank) oder die Akkus mit der Umwelt (endnutzer) in Kontakt kommen, Li-Ion.

Der Grund, warum z.B. alle (fast) namenhaften Smartphone Hersteller keinen Wechselakku mehr anbieten, ist, dass sie alle nurnoch LiPo verbauen. Die Wechselakkus sind Li-Ion.

Edit: Und frohe Feiertage!!! :smiley:


#19

Tutorial - Bau dir deine eigene Powerbank
#20

Ich hätte eine alternative dazu:

Spannung auf 3,65V und Strom auf 1-2A eingestellt und den Akku geladen…

Edit:

Das direkt hinter den Akku klemmen.

Edit 2: Den Stepdown mit konstantstrom funktion von oben gibt es auch in klein.
Bild

Edit: Wollt ihr euren LiPo 100% sicher betreiben, kauft euch einen LiPo Bag
Suchbegriff
LiPo Guard
LiPo Safety Bag

ich habe ganz vergessen, auch darauf hinzuweisen, das tut mir leid…

Grüße :wink:


Tutorial - Bau dir deine eigene Powerbank