Mein Board, mein Housing, mein Akku… Die Energieversorgung stellt immernoch eine kleine Herausforderung dar.
Hier gibt es Erklärungen über LiPo, LiIon, LiFePo4 - und weitere.
Dabei wie immer: Der Sicherheitsaspekt geht vor.
Auf dem Bild sieht man 3 Akkutypen. Und ihre Nennspannungen. Dies ist die Spannungslage, innerhalb derer man die Akkus sicher betreiben kann.
Schauen wir uns die Typen genauer an, bevor wir auf ihre Behandlung und Ladezustände eingehen:
Unten werden ein paar Fachbegriffe genannt. Um diese besser zu verstehen bitte folgendes Schaubild benutzen, dass einen Akku zeigt, während er an einem Verbraucher (Lampe?) entladen wird.
LiPo.
Dieser Akku wird angewendet, wenn kleine Baugrößen oder spezialisierte Teile gefordert sind. Diese Akkus können sehr leicht in jeder erdenklichen Größe gefertigt werden.
Wie bei normalen LiIon Akkus besteht die Anode (+) aus Lithium-Cobaltoxid und die Kathode (-) aus Graphit
Der Unterschied zu LiIon besteht darin, dass bei Polymer - anstatt einer Elektrolytlösung aus Lithiumsalzen zwischen dem Graphit und Li-Cobalt-Oxid - ein festes Polymer verwendet wird, wie dem Polyvinyliden fluorid. Daher auch der Name - Lithium - Polymer.
Wofür wird er gebraucht?
Die Akkus haben eine durchschnittliche Lebensdauer von bis 500 Zyklen oder bis 7 Jahre (bei seltener Benutzung), und können bedingt durch ihren Aufbau aus geschichteten Folien extrem hohe Energiedichten erreichen. Daher wird er gerne bei allem eingesetzt, wo es auf eine spezielle oder sehr kleine Baugröße ankommt.
Bei normalen LiPo Akkus ist die Entladerate sehr gering und es können auch nur geringe Ströme entnommen werden. Typische Anwendungen sind Navigations/GPS Systeme, Mikrocomputer, Kameras, Babyphone, Navi und alles, was kaum Energie braucht.
Dafür speichert der Akku seine Energie ein Leben lang. Messungen an eigenen Zellen haben gezeigt, dass ein voll geladener LiPo Akku nur 1-3% seines gespeicherten Stromes verliert. Ein leerer Akku kann bis zu Lebensende auf Erhaltungsspannung bleiben und auch so eingelagert werden.
Wir selbst vertreiben getestete, sichere LiPo Akkus mit dickeren Separatoren, produziert von einem ISO Zertifizierten Unternehmen. Die Energiedichte und Leistung ist etwas niedriger als bei Akkus von beispielsweise Smartphones oder Tablets. Jedoch sieht man auch an den zahlreichen Explosionsvideos ebendieser Geräte, was bei zu hohen Energiedichten in Kombination mit exzessiver Nutzung geschehen kann.
LiIon
Diese Akkus gibt es hauptsächlich in der genormten runden Ausführung. Alle Akkus haben eine Metallummantelung. Diese Akkus vereinen viele positive Eigenschaften:
Zum Einen haben sie bedingt durch ihre elektrolytlösung ein längeres Leben als LiPo Akkus (~10 Jahre)
In Kombination mit Polyvinyliden Fluorid kann eine hohe Energiedichte bis 250W/kg erreicht werden
Die Akkus können über 1.000 Zyklen erreichen,
Es gibt mehrere Arten von LiIon. Hier behandeln wir die normalen LCO und NCM Zellen.
LCO Zellen sind normale LiIon Batterien mit Lithium-Cobalt-Oxid als Hauptmaterial.
NCM sind erst vor kurzem aufgetreten, als man gemerkt hat, dass man chemisch sicherere und stabilere Zellen bei dem Einsatz von Nickel und Mangan bekommt. So wurde aus einem (Lithium-Cobalt-Oxid) ein (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid) Akku.
Seit einiger Zeit kann man das jedoch kaum noch auseinander halten, da viele Hersteller versuchen, durch den Einsatz von Nickel und Mangan sämtliche Zellen stabiler zu bekommen.
Um einen Vergleich zu liefern, wurden 2 verschiedene Zellen gepresst:
Die Tenpower Zellen sind Li-NCM - zu erkennen an dem INR18650 auf der Zelle. Diese können bis 1.200 Zyklen und werden auch von unserem Shop vertrieben.
Die ICR-18650 sind normale LCO Zellen. Beide Zellen haben dieselbe Ladung.
Die obere Zelle ist eine relativ günstige ICR Zelle.
Die untere ist eine INR Zelle von Tempower (Der Schaum kam vom Befestigungsband, nicht von der Zelle)
Von der Sicherheit UND der Performance der Zellen kann man also folgende Ränge verteilen:
1. Lithium-Cobalt-Oxid = LCO = ICR(18650) (Unsicher) 2. Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt = NMC = INR(18650) (sicher) 3. Lithium-Eisen-Phosphat = LFP =LiFePo4 = IFR(18650) (Sehr sicher)
LiFePO4
Der Akku ist der fast sicherste weltweit. Durch fehlen der Sauerstoffverbindungen und bedingt durch die niedrigere Energiedichte von bis 150W/kg gilt der Akku als eigensicher. Er kann nicht wie ein normaler Lithium-Ionen Akku entflammen und wird daher gerne für hochkapazitive Langzeitspeicherung im Eigenheim genommen.
Der Aufbau einees LiFePO4 ist Derselbe wie der von LiPo Batterien. Es gibt einen Polymer Separator, die Kathode besteht aus Graphit. Das Annodenmaterial besteht jedoch statt Lithium-Cobalt-Oxid aus Lithium-Eisen-Phosphat, welches eine höhere Stabilität bezüglich der Zyklenzahl und der Langzeitalterung besitzt.
Vorteil Zyklenleben und Stabilität
Die Anzahl der Zyklen unserer Akkus beläuft sich auf 3.000 von 0 auf 100, wenn man, wie bei anderen Herstellern, das Blei-Äquivalenz 0 auf 80 nimmt, dann sogar knapp 5.000 Zyklen. Hierbei werben viele Hersteller unter Anderem auch mit Zahlen von 10.000 Zyklen oder mehr. Dabei bitte beachten, dass es meist ein Werbetrick ist, bei dem der Hersteller seine Akkus unter Konditionen von Blei vergleicht.
Bei Bleiakkus wird der Akku bei Last meist nur um 30% entladen. Würde man dasselbe mit einem LiFePo4 machen, kann dieser leicht seine 10.000 Zyklen erreichen. Eine Zyklenzahl im Vergleich zu Bleiakkus sagt NICHTS über die Qualität einer LiFePo4 Zelle aus.
Weiterhin schaden Tiefentladungen der Zellchemie nicht so stark, und auch Entladungen auf 0V müssen nicht das Todesurteil vom Akku bedeuten. Längerfristige Tiefentladungen schaden dennoch massiv.
Kommen wir zum Laden und Entladen:
Ich habe es auf diesen 3 Grundbauteilen belassen, die besonders leicht verständlich und leicht zu besorgen sind:
1. TP5000: Ideal zum Laden von LiIon/LiPo/LiFePo4. Interne Schutzschaltung des Akkus muss aber vorausgesetzt sein. Also immer: Akkus mit Schutzschaltung kaufen.
2. TP4056: zum Laden von LiIon/LiPo, auch jenen, die keine Schutzschaltung besitzen.
3. Und natürlich den USB Stepup, um die Spannung vom Akku wieder auf 5V zu bekommen und nutzen zu können.
Alle Bausteine kann man über Ebay/Amazon oder die Google Suche erwerben und kosten im Schnitt 1-3€.
Jeder Akku ist anders, hat andere Eigenschaften, und wird anders geladen. Um zu wissen, was Sie mit dem von Ihnen ausgesuchten Akku machen müssen, lesen Sie sich bitte das Tutorial "wie lade ich meinen Akku" durch:
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Wie behandel ich nun die Akkus?
LiPo Akkus sind die Diven und wollen exakt 50% (3,85V) Ladung. Alles Andere fördert die Zellzersetzung. Dennoch heißt dies nicht, dass man ihn zerstört, wenn man ihn komplett (auf 3V) entlädt oder (auf 4,2V) lädt. Es bedeuted, dass man diese Akkus nicht in einem vollen oder leeren zustand lagern sollte, da die Lebenszeit - als Beispiel - bei einem 4,1-4,2V Akku auf 3 Jahre gelagert um ca. 1 Jahr abnehmen kann. Bei einer maximalen Lebenszeit von 4-7 Jahren (unbenutzt) sind die Auswirkungen am Ende natürlich trotzdem gravierend. Kurzzeitige Lagerungen auf Wochen von vollen oder leeren Akkus schaden diesen nicht so sehr wie angenommen.
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. Aber auch hier: Die interne Schutzschaltung schaltet meist erst bei 2,5V ab. Wer seinen Akku also länger lagern möchte, sollte vor der Lagerung das Ladekabel 5 Minuten anschließen, um sicher zu gehen, dass der Akku die Lagerzeit sicher übersteht.
LiFePO4 Akkus mögen es voll, aber nicht zu voll. Die Ruhespannung von einem LiFePO4 beträgt ca. 3,35V. Bei dieser Spannung ist er bereits zu 100% geladen. Die Ladegeräte dieser Akkus gehen jedoch bis 3,65V. Dies ist die Ladeschluss Spannung der Akkus, und ein kurzzeitiges erreichen dieser schadet den Akkus nicht. Ein dauerhaftes Anliegen jedoch führt zu einer schnelleren Zersetzung der Zellchemie. Bei der Lagerung sollte man sie auf mindestens 90% voll laden.