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. 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:
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. Dazwischen ist jedoch alles anders:
Ein LiIon besitzt im Normalfall einen soliden Separator, in einer Flüssigkeit aus gelösten Lithiumsalzen (LiPf6)
Ein LiPo hingegen besitzt einen gelförmigen Separator, der zeitgleich auch die Arbeit des Elektrolytes übernimmt. Um dennoch einen stabilen, zyklischen Betrieb zu ermöglichen, wird auch hier in geringen Dosen Elektrolyt eingespritzt.
Bedingt durch diesen besonderen Aufbau hat ein LiPo eine erheblich verkürzte Lebensspanne als normale LiIon Batterien.
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, gepressten 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 unter 1% seines gespeicherten Stromes pro Jahr 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)
Es können Energiedichten über 250Wh/kg erreicht werden
Die Akkus können über 2.000 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. Diese sind die hochwertigste und langlebigste Form von LiIon Batterien, sind jedoch - als Beispiel die 18650 Bauform - in ihrer Kapazität auf 2.6Ah begrenzt, und besitzen eine geringe Entladerate.
NCM sind erst vor kurzem aufgetreten, als man gemerkt hat, dass man durch Einsatz von Nickel und Mangan mehr Kapazität und eine höhere Entladerate aus den Zellen holen kann, als durch herkömmliche NCM Mischungen. Weiterhin wurden die Akkus dadurch sicherer. 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 und günstiger zu bekommen.
LiFePO4
Der Akku ist der fast sicherste weltweit. Durch fehlen der Sauerstoffverbindungen und bedingt durch die niedrigere Energiedichte von bis 150Wh/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 eines 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 2.000 - 3.000 von 0 auf 100%. Sofern man die Batterien wie Bleiakkus behandelt und nur in einem Bereich von 80% Kapazitätnimmt, 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.
--->LINK - Zyklenleben von LiFePO4 Batterien erklärt<---
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 daher 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:
HIER klicken
Wie behandel ich nun die Akkus?
LiPo Akkus sind die Diven und wollen exakt 50% (3,85V) Ladung - weiterhin besitzen sie im Inneren eine Schutzschicht, die SEI - welche nur durch regelmäßiges Nachladen aufrecht erhalten wird. Die SEI Schicht schützt vereinfacht gesagt das Innenleben des Akkus davor, miteinander zu reagieren und sorgt erst so für einen stabil laufenden Akku. Da die Schicht eine sich natürlich aufbauende Schicht ist, die beim Laden on Batterien entsteht, sollte ein Laden auch öfter erfolgen.
Um diesen Akku möglichst lange verwenden zu können, braucht er mindestens 4 Ladezyklen im Jahr. Je öfter er geladen wird, desto stabiler wird die interne Schutzschicht, und desto besser ist seine Performance. Auch ein typisches Blähen von LiPo - welches aus dem Abbau der internen SEI Schicht bedingt durch Tiefentladung oder zu weniger Nutzung resultiert - kann man so verhindern
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 wollen so nahe an 50% Ladung wie möglich sein - und oft zyklisch betrieben werden. Die Akkus sollten nach dem Voll laden nicht am Ladgerät hängen bleiben, da sie so schneller altern. Nach dem Entladen sollten die Akkus kurz aufgeladen werden, damit sie sich nicht über die sehr hohe Selbstentladung kaputt machen. Ansonsten sind LiFePO4 Batterien kaum sterblich und viel robuster als LiIon. Selbst bei ungünstiger handhabe bekommt ihr mehr als 4-5 Jahre raus. Bei guter Handhabe mehr als 15.