Tutorial - Wie behandel ich meinen Akku? LiIon und LiFePo4

Mein Board, mein Housing, mein Akku…
Die Energieversorgung stellt immernoch eine kleine Herausforderung dar.

Wie bereits versprochen, hier ein allgemeines TUT über LiPo, LiIon, LiFePo4 - und weitere.

Dabei wie immer: Der Sicherheitsaspekt geht vor.

Auf dem Bild sieht man 3 Akkutypen. Und ihre Nennspannungen. Die obere ist die Spannung, bei der die Akkus ihre gesamte Kapazität über sind. Drunter oder drüber sind sie bereits voll oder leer.

Die Komplett Spannung ist die Spannung, innerhalb derer man die Batterien sicher betreiben kann, ohne Angst vor Beschädigung oder Sicherheitsrisiken haben zu müssen.

Schauen wir uns die Typen genauer an, bevor wir auf ihre Behandlung und Ladezustände eingehen:

LiPo.
Dieser Akku wird angewendet, wenn kleine Baugrößen oder spezialisierte Teile gefordert sind. Diese Akkus können sehr leicht in jeder erdenklichen Größe gefertigt werden. Der Nachteil ist natürlich die niedrige Lebensdauer. Diese Akkus werden in 2 Modellen hergestellt:

Die Geschichte dieser Akkus ist eine relativ traurige. Als es damals die ersten Handys mit richtigem, wechselbaren Lithium-Ionen Akku auf dem Markt geschafft haben, wurde bereits nach einer alternative gesucht, diese teuren, ewig lebenden und leicht austauschbaren Batterien durch etwas günstigeres zu ersetzen.

Dazu nahm man dem LiIon Akku seine Flüssigkeit (das Lithium-Hexafluorid) und ersetzte diese durch ein Polymer (plastik), dem Polyvinylidenefluorid. Daher auch der Name - LiPo (Lithium-Polymer).
Durch die fehlende Flüssigkeit war es nicht mehr notwendig, diese Batterien in einem harten Metallgehäuse unterzubringen, und man konnte diese einfach wickeln, und in einer Aluminiumfolie verpacken.

Dies hatte 2 Auswirkungen, die wir alle heute spüren: Diese Batterien haben nurnoch die halbe Lebenszeit von echten LiIon, und durch die dünne Folierung dürfen diese nicht mehr in der Hosentasche getragen werden - der nicht austauschbare, schnell sterbende Handyakku war geboren.

Der Vorteil ist die günstige Verfügbarkeit von jedem beliebigen Maß: LiPo können in allen Größen ab 1mm hergestellt werden, und sind dadurch der mittlerweile beliebteste Akku für Endanwender weltweit.

LiIon
Diese Akkus gibt es hauptsächlich in der genormten runden Ausführung. Alle Akkus haben eine Metallummantelung.
Diese Akkus können alles vereinen, was man bei sich zuhause gerne sieht:
Ein langes Leben (bis 10 Jahre),
eine hohe Speicherdichte,
weit über 1.000 Zyklen,
Eine hohe Sicherheit, da man sich hier direkt an große Hersteller wenden kann.

Es ist mittlerweile auch ein Video online, wie ihr LiIon richtig erkennt - sollte sich jemand für das Thema interessieren, ist hier der Link:

https://www.youtube.com/watch?v=KDvrdMy56mU&t=85s

Auch hier finden sich neben den namentlichen und angesehenen Herstellern eine reihe günstiger Anbieter, wie in diesem Video gezeigt. Auch wenn die hohe Kapazität, sowie der niedrige Preis verlockend erscheinen, bekommt ihr meist eine hoch gefährliche Zelle (oft packen solche Händler einen LiPo Akku in das Metallgehäuse) mit kaum Kapazität gesendet.

Daher kann man da ganz einfach sagen: Wer billig käuft, käuft nicht nur 2 Mal - sondern spielt auch mit seinem Leben.

Kommen wir noch kurz zur dritten Akkuart, das ist der

LiFePo4

Der Akku ist der fast sicherste weltweit. Und nicht mit einem LiIon zu vergleichen:

Ein LiIon besteht aus einem Lithium-Cobalt-Oxid Gemisch - was Sie eventuell bereits ahnen lässt, warum ein LiIon so gut brennen kann. Ein Großer Teil der Batterie besteht aus eingelagerten Sauerstoff-Atomen.

Ein LiFePO4 Akku besteht - wie der Name schon sagt - aus Lithium-Eisenphosphat und beinhaltet keinerlei brandfördernder Stoffe. Dadurch wird diese Zelle so sicher wie eine normale AA-Batterie aus eurer Fernbedienung.

Die Anzahl der Zylken beläuft sich auf 3.000 von 0 auf 100.
Viele Hersteller werben auch mit mehr Zyklen, hier sollte jedoch darauf geachtet werden, dass gerne versteckt mit dem Slogan geworben wird „…Wenn Sie Ihren LiFePO4 nur um 30% entladen - wie Ihren alten Bleiakku - können Sie ihn >10.000 Mal laden.“

Dies gilt gleichermaßen für alle LiFePO4 und ist ein bekannter Trick, die Ladezyklen künstlich hochzurechnen.

Kommen wir zum Laden und Entladen:

Durch andere Threads, viele gute Infos von anderen Usern, und viele Diskussionen (mit tollen Projekten), habe ich es dennoch auf diesen 3 Grundbauteilen belassen, die besonders leicht verständlich und leicht zu besorgen sind:

Alle Informationen zur Verschaltung findet ihr in: Tutorial - Bau dir deine eigene Powerbank

  1. TP5000: Ideal zum Laden von LiIon/LiPo/LiFePo4. Interne Schutzschaltung des Akkus muss aber vorausgesetzt sein. Also immer: Akkus mit Schutzschaltung kaufen.
    https://www.ebay.de/itm/TP5000-4-2-V-3-6-V-1a-Lithium-Ladegerat-fur-LadebordwandZJP-W-CBL/392351524589?hash=item5b59f926ed:g:pGgAAOSwu9Jb0~tf
    Wie so eine Schutzschaltung meist aussieht findet ihr auch hier: Tutorial - Bau dir deine eigene Powerbank

  2. TP4056: zum Laden von LiIon/LiPo, auch jenen, die keine Schutzschaltung besitzen. https://www.ebay.de/itm/10-Stuck-LiPo-Micro-USB-Lademodul-5V-1A-18650-wie-TP4056-TE420/153549421797?hash=item23c0423ce5:g:vE4AAOSwThVc4~Fm
    Wie dies angeschlossen wird - auch hier - bitte dort nachlesen:
    Tutorial - Bau dir deine eigene Powerbank

  3. Und natürlich den USB Stepup, um die Spannung vom Akku wieder auf 5V zu bekommen und nutzen zu können.
    DC Boost conversion 3V 3.3V 3.7V 4.2V TO 5V 1A 2A USB Step Up Mobile Power New | eBay

Wie behandel ich nun die Akkus?

Das ist eine sehr schwierige Frage. „Behandeln“ kann man Lithium Akkus nicht wirklich, da die Elektronik davor schon alles regelt. Aber ein paar Kernthemen sollte man dennoch ansprechen:

LiPo Akkus sind die Diven und wollen exakt 50% (3,85V) Ladung. Höhere Spannungen fördern die Zellzersetzung, niedrigere Spannungen verhindern diese. Das bedeuted, dass man diese Akkus nicht in einem vollen Zustand lagern sollte. Anders herum sieht es bei niedrigen Spannungen aus. Dort finden die chemischen Reaktionen langsamer statt. Wer also das Maximum aus seinem Akku raus holen möchte sollte dies tun:

  • Bei Benutzung einmal laden bis voll - und dann benutzen. Nicht dauerhaft am Ladegerät lassen
  • Nach Benutzung vor dem Lagern entweder nicht mehr laden - oder, sofern der Akku bereits sehr leer ist, nochmal 5 Minuten ans Ladegerät (nicht länger) und dann einlagern.

LiIon Akkus fühlen sich in Zuständen zwischen 20-80% wohl. Auch Lagerungen bei Spannungen um 3-3,5V oder 4-4,2V sind kein Problem, und greifen die Lebenszeit nicht so sehr an wie LiPo. Wenn man den richtigen Akku erwischt, und nicht zu billig käuft, kann man hier lange Freude haben.
Mehr Tips kann ich dazu nicht geben - wer was ordentliches mit Kapazität haben will, und wem das Baumaß egal ist, der sollte sich einen LiIon organisieren.

LiFePo4 Akkus ist es relativ egal, was ihr mit denen macht. Wir lagern diese teilweise mit Spannungen von 2.0V und selbst Kundenrückläufer, bei denen die Zelle 0V erreicht hat - waren der Zelle ziemlich egal - wir konnten jeden Akku wieder mit voller Kapazität zurück setzen.

Ein LIFePO4 hasst es, dauerhaft auf seine Maximalspannung von 3.65V geladen zu werden. Auch hier gilt daher: Ans Ladegerät anschließen, und nach dem Laden trennen - so bekommt ihr die maximale Lebenszeit raus.

LiFePO4 sind Boliden, die nicht einfach so sterben, und sofern ihr Akkus mit einer Schutzschaltung besitzt, habt ihr - egal wie ihr diese Behandelt - etwas für die Ewigkeit gekauft.

Wir haben bereits LiFePO4 bei voller Ladespannung von 3.65V über 1 Jahr hinweg getestet (1 Jahr dauerhaft ans Ladegerät gehongen) und haben insg. 10% Kapazität verloren. Ihr könnt euch daher denken, wie lange die reale Lebensdauer eines solchen Akkus bei richtiger Behandlung sein kann.

Man sieht also: Wenn man sich von anfang an einen ordentlichen Akku holt, und weiß, was er kann, kann man auch relativ sorglos mit ihm umgehen, und ihm trotzdem ein langes Leben bescheren. Mehr wüsste ich jetzt nicht über Akkus zu sagen. 3 Threads darüber sollten auch reichen.

Ich hoffe, es war informativ. Sollten Verbesserungsvorschläge oder Fragen kommen, beantworte ich diese gerne.

Ein Edit möchte ich dann doch noch machen, was ich persönlich auf dem Herzen habe:
Wenn ein Akku eine Schutzschaltung hat, dann ist er 100% geschützt. Zumindest bei mir.
Theoretisch kann man einen solchen Akku auch direkt an 5V USB2 oder USB3 oder an eine Solarzelle klemmen. Ohne Ladegerät. Entweder der Akku nimmt die Spannung an, oder nicht. Wenn er voll ist, schaltet er sich immer selbst ab. Auch bei Kurzschluss, Überladung, zu hoher Überlast.
Wenn man sich einen Akku mit Schutzschaltung kauft, kauft man sich Sicherheit. Sonst gäbe es diese Schaltungen nicht.
Das bedeuted nicht, dass jeder seinen Akku jetzt schlecht behandeln kann, denn Lebenszeit kostet jede Fehlbehandlung wie bspw. eine dauerhafte Überlastung. Jedoch wird ein Akku nie in Flammen aufgehen, wenn man ihn falsch lädt, oder mal kurz schließt. Das bitte bedenken. Mit einem Akku mit Schutzschaltung können auch Laien sicher basteln.

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Wie immer, danke für den Beitrag!

Eine Sache habe ich aber: Es heißt Thread (Faden) nicht Threat (Bedrohung). Im Falle von Akkus ein nicht zu unterschätzender Unterschied. :wink:

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Danke @Eremit_LiPos sehr Informativ

Edit: Ich hab das mal editiert, und die richtige Mention eingesetzt. Bitte drauf achten @Erni. Danke.

Danke fürs Feedback.

Ich bin aber noch weiterhin am editieren.
Letzter Edit: Wie man im weiten Markt überhaupt sichere18650 Zellen findet, und wie man die thermisch instabilen Zellen aufgrund des Aufdrucks auf der Zelle finden und meiden kann.

Ich weiß ehrlich gesagt nicht, ob das ständige editieren die beste Herangehensweise ist. Bei so langen Beiträgen macht es das für den interessierten Leser sehr schwer die „neuen“ Stellen zu finden. Jedes Mal muss der ganze Post durchgegangen werden. Ich fände es besser du würdest das in Häppchen aufteilen die dann aber auch so bleiben (von Fehlerkorrekturen abgesehen, is klar, dafür sind edits ja eigentlich da).

Hast Du eine Empfehlung für ein „Rundzellen-Ladegerät“ ?
Aus früheren Bastel- und Modellbauzeiten habe ich ein SkyRC MC3000 und iMAX B6 mini.
Beide klasse, aber irgendwie völlig ungeeignet, wenn man mal eben einen (Rundzellen-)Akku laden möchte.
Meine Wünsche:

  • Li-Ion, LiFePo4: 16650, 26650
  • NiCd, NiMH: AA, AAA, AAAA, C

Und irgendetwas zwischen MC3000 und Konstant-Strom an/aus :wink:

Hallo Christian,

https://www.akkuteile.de/sysmax-i4-inteligentes-ladegeraeaet_500101_1512

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Vielen Dank! Das sieht doch gut aus.

Hallo Eremit,

Vielen Dank für deine ausführlichen Anleitungen. Ich hätte eine Frage zu deinen Akkus: Könnte man die Lifepo4 Packs mit folgendem Modul laden?

Meine ursprünglich vorgesehene Powerbank ist leider zu groß

Ich würde mir gerne für einen kleinen TonUINO eine Powerbank auf Basis LiFePo Akkus aufbauen. Das ganze soll relativ einfach werden mit einem simplen Hauptschalter der einfach Strom vom Akku holt oder nicht. Dank der oben beschriebenen Schutzschaltungen muss es ja auch nicht mehr sein.
Mich würde interresieren ob man den aktuellen Stand des Akkus irgendwie erkennen kann. Klar kann man messen wieviel Volt er grad liefert aber das vielleicht in einer einfacher zu lesenden Anzeige oder sowas. Es würde reichen das auf Knopfdruck zu sehen also mit einem Taster vor einer entsprechenden Anzeige.
Hat da jemand einen Rat?

Guten Tag und fröhliches Osterfest,
Hallo @Axor

Bei LifePo4 ist das nicht ganz einfach.

Die Zellen haben einen „Memory Effekt“ (ich glaube passendere Beschreibungen gibt es noch nicht), wobei die sich jedoch nicht an den letzten Ladezustand „erinnern“ sondern nach dem Laden einfach in diesen zurück kehren.

Der Akku nutzt bei über 90% seiner kapazität die Spannungsebenen 3.2V - 3.5V was du an dem Diagramm unserer 6Ah LiFePo4 gut erkennen kannst.

Nach dem Laden auf 3,65V gehen die Akkus wieder in ihre Ruhespannung um 3,4/3,5V zurück.

Mit der richtigen Elektronik und Akkudaten kann man das dennoch auslesen. Aber ich habe bisher dafür nichts zuverlässiges gefunden, was nicht bereits mit jeweiligen Akkus verbaut gewesen wäre.

Sollte jemand dennoch wissen, wo man solche Indikatoren bekommt, kann das gerne hier posten, ich werde direkt welche bestellen :wink:

Da ja der Spannungsverlauf in einem großen Teil der Entladekurve nur einen sehr kleinen delta U hat, ist es sehr schwierig über die Spannung eine Aussage zum Ladezustand zu machen. Ich sehe da ev. die Möglichkeit den Laststrom und die Einschaltzeiten auszuwerten. Das wäre aber verm. eine recht komplizierte Lösung, die auf jeden Fall einen Microprozessor erfordern würde. Ob der Aufwand für einen Hobbyelektroniker vertretbar ist, bleibt dahingestellt. Ich werde mich mal damit beschäftigen, vielleicht fällt mir dazu was ein. Erfolg nicht garantiert.

Ich hab mir jetzt mal ein paar günstige LED Anzeigen bestellt:


Wirklich genau brauch ichs ja auch nicht. Könnte mir vorstellen das sowas reicht um festzustellen das der Akku langsam ans Ende kommt. Mal gucken wie genau die Dinger sind. Werd mal ein paar Sachen messen und mit einem Multimeter vergleichen.

Wenn es nicht genau sein muss, kann man ja doch die Spannung auswerten. Z.B.nach der Kennlinie von @Eremit_LiPos fällt ja die Spannung bei erreichen der letzten 10% relativ steil ab. Hier könnte man ansetzen und bei unterschreiten von 3,3V eine LED blinken lassen, zur Anzeige dass die letzten 10% Kapazität erreicht sind. Bei erreichen von 3,0 V könnte sogar eine Zwangsabschaltung aktiviert werden um den Akku nicht tief zu entladen.

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Die habe ich auch verbaut und die sind ganz gut für die grobe Einschätzung. Allerdings laden wir unsere Box echt selten. Die Kinder hören täglich mehrere Stunden und ich habe seit Weihnachten dreimal geladen.

Ein interessanter Nebeneffekt der Spannungsmesser ist aber folgender: Ich kann beim Laden ganz gut abschätzen wie lange es noch laden wird. Das hatte ich bei der Konstruktion gar nicht bedacht und ist super praktisch. Ich frag mich sonst immer, ob sich überhaupt was tut und siehe da, die Ladespannung steigt :grin:

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Hallo @Eremit_LiPos
Ich habe mich mal etwas näher mit der Materie LiFePo4 befasst und einen interessanten Artikel gefunden. Da ist auch dein sogenannter Memoryeffekt zu finden. Dabei handelt es sich im eigentlichen Sinne nicht um den bekannten Memoryeffekt wie wir ihn von NiCd Akkus kennen. In dem Artikel ist das so erklärt. dass alle LiIon Akkus eine sogenannte Ruhespannung aufweisen, die sich erst einige Zeit nach dem Laden automatisch einstellt. Man spricht hier von einem Gleichgewichtszustand in der Zelle. Bei LiFePo4 Akkus ist das etwas stärker ausgeprägt. Das ist aber keineswegs ein Nachteil. Es macht es nur schwierig den Ladezustand unmittelbar nach Ladeende und einem späteren Zeitraum exakt anzuzeigen. Es ist also normal, dass die Spannung einige Zeit nach dem Laden auch ohne Stromentnahme absinkt und sich diese sogenannte Ruhespannung einstellt. An deinem Diagramm kann man das sehr gut erkennen, obwohl da schon ein entladestrom fließt. Der Kennlinienteil direkt nach dem Laden sollte auch ohne Entladestrom über die Zeit ähnlich verlaufen.
Artikel über Ladezustandskontrolle bei liion akkus

Sie bereits beschrieben, es gibt leider keine passende Beschreibung für das Phänomen…

Daher gibt es bisher keine universelle Ladezustandsanzeige dafür…

LiIon haben (je nach Akkuchemie) ab 3,3V einen linearen Spannungsverlauf, den man berechnen kann. Sie können auch ihre geladene Spannung halten, selbst weit über Ladeschluss. Bedeuted im Umkehrschluss auch Ladeschlussspannung (sofern sie lang genug ansteht) = Ruhespannung.

LiFePo4 können ihre Ladeschlussspannung nicht halten, und haben auch keinen linearen Spannungsverlauf. Ihre Ruhespannung ist immer 0,2V unter der Ladeschlussspannung. Sie sind soweit ich weiß die einzigen LiIon mit dieser Eigenschaft.

Ich fand die Idee mit dem Voltmeter toll, ich denke, das sollte am Besten funktionieren.

Ja das wäre die einfachste Lösung. Ich hab da noch eine andere Idee, die sich mit relativ wenig Aufwand realisieren lässt. Bezugnehmend auf das Diagramm würde ich den Bereich in 4 Abschnitte aufteilen und jedem Abschnitt eine LED zuweisen. Z.B. der Bereich 0 -0,6 Rot, 0,6 - 2,4 Gelb, 2,4 - 5,4 Grün und 5,4- 6 auch Grün.
Mit Fensterdiskriminatoren sollte sich das relativ einfach machen lassen. Die Anzeige könnte man dann noch mit einem Taster aktivieren, oder über den Arduino per Software an oder ausschalten, so dass der Akku nicht über die Ladezustandskontrolle entladen wird.

Gibt unten im Datenblatt das Entladediagramm.

Danke, schaue ich mir an.