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How To: Li-Ionen Akkus Verstehen

Rudi
 Rudi
(@rudi)
Schätzbares Mitglied Mitglied

Ein kurzer Abriss zum Verständniss von Li-Ionen Akkus.

Zellen / Basics:

Oft werden alle Lithium basierten Akkus unter dem dem Sammelbegriff Li-Ionen zusammengefasst. Es gibt jedoch einige Unterarten, die gesondert behandelt werden müssen, da sie sich deutlich von den "Standart"-Li-Ionen unterscheiden:

  • Li-Ionen: Nominalspannung 3,6 ... 3,8V; max. Spannung i.d.R 4,2V
  • LiFePo: (NICHT mit LiPo verwechseln!), Nominalspannung 3,2V; max. Spannung 3,6V;
  • LTO: Lithium Titan Oxid: sehr langlebig, Nominalspannung 2,4V

Alle diese Akkuarten sind in unterschiedlichen Packungsformen erhältlich:

  • Rundzelle: typ. Vertreter 18650 (18mm Durchmesser, 65mm Länge). Hülle meist aus Stahl -> hohe Stabilität gegen mech. Schäden
  • Prismatisch: Rechteckig, meist nur in einer Alu-Kunststoff-Verbundfolie eingeschweißt. Oft als LiPo bezeichnet.

Alle Arten werden im CC-CV verfahren geladen:
Zunächst wird der Strom Konstant gehalten (CC: Constant Curren), bis die Ladeschlussspannung erreicht ist. Im Anschluss wird die Spannung so lange gehalten, bis der Strom auf ca. 10% des CC-Stromes abgefallen ist. Das Laden ist dann beendet.

(Akku- / Zellen-)Packs:

In der Regel werden mehrere Zellen zu einem Pack verbunden, um die Kapazität (Paralellschalten) oder die Spannung (Reihenschaltung) zu erhöhen. Erfolgt beides, werden mehrere Zellen erst Parallelgeschaltet, und diese Packs dann in Serie geschaltet.

Wie viele Zellen in Serie verwendet werden, kann aus der Nennspannung abgeleitet werden: Sie ist ein Vielfaches der Zellen-Nominalspannung (z.B. 14,4V = 4*3,6V, also 4 Li-Ionen Zellen in Reihe). Daraus lässt sich auch die nötige Ladeschlussspannung auf gleiche Weise errechnen (z.B. 4*4,2V = 16,8V).

Es kann vorkommen, dass die Zellen mit der Zeit (durch Verschleiß) unterschiedliche Ladezustände entwickeln. In diesem Fall ist ein Balancing nötig, um die Zellen in einem Pack wieder auf ein einheitliches Level zu bringen. Meist ist im Akkupack bereits die dafür nötige Elektronik verbaut.

 

Sicherheit:

Li-Ionen Akkus reagieren sehr empfindlich auf Überladen und auf mechanische Beschädigung. In der Zelle befindet sich ein flüssiges, leicht brennbares Elektrolyt. Wird die Zelle überhitzt kocht das Elektrolyt und kann die Zelle zum bersten bringen. Wird die Zelle überladen, wird das Elektrolyt Chemisch zersetzt (Elektrolyse), die entstehen Gase bauen Druck auf und können die Zelle zum Bersten bringen. Das austretende Elektrolyt kann sich entzünden, und zu Explosion führen.

Altersbedingt zersetzt sich das Elektrolyt ebenfalls -> bei prismatischen Zellen kommt es dann zum typischen Aufblähen. In Folge dessen können sich die Elektrodenschichten voneinander Lösen -> die Zelle wird ungleichmäßig geladen und nimmt noch mehr schaden. Eine Kettenreaktion kann die Folge sein.

Tiefentladen schädigt den Akku in der Regel nur geringfügig. Gefahr besteht nur wenn es zu einem verpolten Aufladen kommt (was z.B. bei Serienschaltung unterschiedlich geladener Zellen passieren kann). Hierbei kommt es zu internen Kurzschlüssen.
Tiefentladene Zellen können vorsichtig mit geringem Strom (am besten wenige mA) angeladen werden. Erholt sich die Spannung und erreicht die Entladeschwelle (bei Li-Ionen ca. 3 ... 3,6V), die Zelle wieder abklemmen und prüfen ob die Spannung über einige Stunden sich stabilisiert (ein kurzes absinken nach dem Ladeende ist normal). Bleibt die Spannung konstant kann die Zelle normal geladen werden. Sollte es dabei jedoch zu einer Erwärmung, oder zu einem absinken der Spannung kommen, die Zelle in einem Feuerfesten offenen Gefäß draussen Lagern.

Behandlung beschädigter Zellen:

Erwärmt sich eine Zelle von selbst (d.h. ohne dass sie geladen oder belastet wird), wir sie beim Laden oder beim gebrauch sehr warm (>50°C), ist sie mechanisch beschädigt, bläht sich auf oder weisen andere Zeichen auf eine Gefahr hin:

  1. Laden sofort beenden, Ladegerät trennen
  2. Zelle / Akku nach draussen bringen. Optimalerweise in einem feuerfesten, NICHT luftdichten Gefäß
  3. Wenn noch möglich (keine Ausgasung, kein Feuer): Zellen voneinander trennen
  4. Zellen mit trockenem Sand oder Streusalz zuschütten. Verringert möglichen Funkenflug, schränkt Flammen ein
  5. Nach einigen Tagen kann ausgegraben werden: Dabei Gesichtschutz und Handschuhe tragen. Spontane Wiederentzündungen sind noch möglich! Die Zellen mit einem 100 Ohm bis 1k Wiederstand kurzschließen, und im Feuerfesten Gefäß lagern, bis die Zelle(n) mehrere Tage 0V hat.
  6. Einzelne (kleine) Zellen können u.U. über die normale Batterierücknahme entsorgt werden. Besser beim örtlichen Entsorger über die Fachgerechte Entsorgung informieren.
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Themenstarter Geschrieben : 08/03/2021 13:41
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Praktiker
(@praktiker)
Hochberühmtes Mitglied Admin

@Rudi, deine ausführliche Erklärung zu Lithium Akkus fand ich schon mal richtig gut und interessant, dafür schonmal herzlichen Dank. Das alles wissen wohl die wenigsten. 

Zum Laden selbst: wie erkennt man denn ein Ladegerät für Li Akkus? Der Aufbau der Ladegeräte ist doch immer etwa gleich, oder irre ich da? Das man auf die Ladespannung und den Ladestrom achten muss, verstehe ich ja.

Wenn ich es richtig mitbekommen habe, muss die Spannung des Netzteils etwa die Höhe haben, des Akkus, aber der Ladestrom darf ruhig höher sein, da sich der Akku beim laden den nötigen Strom "passend zieht".

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Geschrieben : 08/03/2021 16:59
Holger_p
(@holger_p)
Berühmtes Mitglied Admin

@rudi

Sehr schöne Zusammenfassung zu diesem Thema. Zu dem Thema kann man Bücher schreiben bzw. sind schon dicke Schwarten erschienen.

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Geschrieben : 08/03/2021 19:28
Rudi
 Rudi
(@rudi)
Schätzbares Mitglied Mitglied

@praktiker

Ich werde wohl noch ein 2 kurzes HowTo erstellen für die Behandlung von Li-Ionen Akkus.

Zum Thema erkennen: Es steht auf dem Netzteil drauf. (Li-ion Charger o.ä.)
Diese Netzteile haben nicht nur eine Spannungsregelung, sondern auch eine Stromregelung. Übrigens sind Trafo-Netzteile (also die ohne Elektronik) auch geeignet, da der Trafo an sich den Strom begrenzt. Aber Achtung! Er wird einen höheren Strom liefern als vorgesehen, was zu einer Überhitzung führen kann!

Wenn der Akku eine aktive Ladeelektronik hat, ist es egal was für ein Netzteil man verwendet, so lange es eine höhere Spannung als die Ladeschlussspannung liefert, aber keine so hohe Spannung das die Ladeelektronik kaputtgeht.

Hat der Akku KEINE Ladeelektronik, darf das Netzteil weder den für den Akku maximalen Ladestrom noch die maximale Spannung Überschreiten! Bei Akkus mit BMS wird dieses wegen Überstrom abschalten, oder es brennt eine Sicherung durch. Eine typische 18650 Li-Ionen darf durchaus mit 2-3A geladen werden.

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Themenstarter Geschrieben : 08/03/2021 22:15
Holger_p
(@holger_p)
Berühmtes Mitglied Admin

Ein Labornetzteil mi einstellbarer Spanung und Strombegrenzung ist als "Universalladegerät" immer ganz hilfreich - sofern man eben weiß, was man tut. Meine 18650 Zellen laden und pflege ich mit dem Lii500 von Liitokala. Beim Chinesen des Vertrauens kosten diese Geräte um 20 Euro. Ein iMax B6 ist auch ein feines Gerät - man braucht nur noch eine Universalhalteplatte für die verschiedenen Geräteakkus.

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Geschrieben : 08/03/2021 22:24
Praktiker
(@praktiker)
Hochberühmtes Mitglied Admin

@rudi, wenn ich mein Smartphone per Lade-Pad lade, dann ist es auch anfangs warm, aber am Ende des Lade-Vorgangs ist es dann wieder eher kühl (Raumtemperatur). Ich hab auf die Rückseite des Smartphones ein Induktionsfeld (-folie) aufgeklebt und der Stecker ist immer in der Buchse des Handys.

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Geschrieben : 08/03/2021 22:24
Praktiker
(@praktiker)
Hochberühmtes Mitglied Admin

@holger_p, wie sind die technischen Daten des Labor-Netzteil? Ich hab auch schon mal danach geschaut, aber noch nicht zugeschlagen. Ich glaube viele von denen nutzen PC Netzteile.

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Geschrieben : 08/03/2021 22:28
Holger_p
(@holger_p)
Berühmtes Mitglied Admin

@praktiker

Da kommen gleich zwei Faktoren zusammen.

  1. Der Akku wird beim Ladevorgang warm,
  2. Auch beim induktiven laden entsteht Wörme, hier ungewollt, aber nicht ganz vermeidbar. Beim Herd in der Küche ist dieser Effekt dagegen gewünscht - ein Inudktionskochfeld erwärmt direkt den Boden des Topfes oder der Pfanne.
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Geschrieben : 08/03/2021 22:31
Dim
 Dim
(@dim)
Hochberühmtes Mitglied Admin

@Rudi Wow!👍 So toll erklärt. So lassen wir sogar Wikipedia und Brockhaus hinter uns! Genau diese Feinheiten haben mir immer gefehlt. Also an den Randbereichen, wo ich mich nicht so gut auskenne.

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Geschrieben : 08/03/2021 22:39
Holger_p
(@holger_p)
Berühmtes Mitglied Admin

@praktiker

Das typische preiswerte Labornetzgerät hat einen Spannungsbereich von 0- 30V und einen regelbaren Strom bereich von 0-3A. Die bekommst Du schon ab 30 Euro, z.B. her bei Pollin.

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Geschrieben : 12/03/2021 20:01
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