Lithium Akkus. Grundlagen Lithium-Ionen/ Lithium-Polymer (LiPo) Akkus Markus Ulsaß, attraktor Hamburg,

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1 Lithium Akkus Grundlagen Lithium-Ionen/ Lithium-Polymer (LiPo) Akkus Markus Ulsaß, attraktor Hamburg,

2 Attraktor Attraktor der Makerspace in Hamburg seit 2010 gemeinnütziger Verein, früher City-Nord, seit April 2014 in Altona auf 270 Quadratmetern ca. 100 Mitglieder Veranstaltungszentrum und offene Werkstatt für Technikinteressierte und Kreative Geräte wie CNC-Fräsen, 3D-Drucker, Laser-Cutter, Drehbank, Platinenfräse Regelmäßige Events: Basteldonnerstag, Elektronik-Stammtisch, Näh- und Lötworkshops Finanzierung über Mitgliederbeiträge, Events und Spenden Führung im Anschluss Veranstaltungstermine im Kalender

3 Agenda Grundlagen Sicherheit/ Gefahren Ladetechnik/ Entladecharakteristik Selbstbau-Projekte & ICs (Testen, Laden, Schützen, Nutzen)

4 Grundlagen Lithium Akkus Entwicklung: Blei -> NiCd (seit 2008 verboten) -> NiMH -> Lithium-Ionen ->? Hohe Energiedichte (Wh/ l) Hohe spezifische Energie (Wh/ kg) Hohe Nennspannung Formfaktor (Bsp. Lithium-Polymer) Kaum Selbstentladung (aber Ladestand & Temperatur bei Lagerung wichtig), sehr geringer Memory-Effekt (-> NiCd) CSPCVV (Zellenbeschreibung) Verschiedenste (Elektroden-/ Elektrolyt-)Materialien Zyklenhaltbarkeit (ca je nach Typ) Temperaturempfindlich (<0 C/ >60 C) Anwendungen: Handy, Laptop, Tablet, Modellbau u.v.m.

5 Hohe spezifische Energie (Wh/ kg) C-Netz Handy Siemens C3 ( ) Gewicht ca. 2,5kg (Akku 500g), 21x17x8cm

6 Hohe spezifische Energie/ Zellenspannung Bleiakku: 30 Wh/ kg NiCd: Wh/ kg NiMH: Wh/ kg Lithium: Wh/ kg (Entwicklung ) LiPo mit Vorteilen gegenüber herkömmlichen Li-Ionen, da Li-Ion-Elektrolyt (flüssig) mit Metallhülle gegen das Auslaufen geschützt werden muss Nennspannung: 3V Normalpotenial (Primärzellen) ~3,6-3,7 Volt aufladbare (Sekundär-)Zellen (je nach verwendetem Elektrodenmaterial) NiCd/ NiMH nur 1,2 Volt Nennspannung

7 Formfaktor Lithium- Polymer (LiPo) Akku (mit Elektronik) Geöffneter Akku. Gelförmiger Elektrolyt in Polymer Kunststoff- Schicht Zylindrische Zelle (Einzelteile) Li-Ionen Technik, Elektrolyt: flüssig 18650: 18mm Durchmesser, 65mm Länge Quelle: Wikipedia

8 Kapazität C, Zellenzahl S/P, Entladung C, Nennspannung V, (Ent)ladeschlussspannung V Kapazität C in mah (C!= Coulomb, C!= Farad) Zellenzahl S: 1 Zelle/ Zellenblock = 1S, 2 Zellen/ Zellenblöcke = 2S etc. Zellenschaltung P: 1P = 1 Zelle parallel, 2P = 2 Zellen parallel etc. 1S2P = 1 Zelle in Reihe beide parallel - V = V c x 1 and Ah = Ah c x 2 2S1P = 2 Zellen in Reihe, 1 parallel - V = V c x 2 and Ah = Ah c x 1 3S2P = 3 Zellen in Reihe, jeweils 2 parallel V = V c x 3 and Ah = Ah c x 2 1S1P =? Entladung C: Bei LiPo bis zu 45C, kurzzeitig 90C, d.h. X * die Strommenge der Nennkapazität Nennspannung: Je nach Material die Grundspannung (Je nach Elektrodenmaterialien bei Sekundärzellen, 3,6 3,7V) Ladeschlussspannung: unterschiedlich, meistens 4,2V (geringe Toleranz von ca. 5mV/ Zelle!) Entladeschlussspannung: 3V, je nach Typ bis zu 2,5V (darunter Schädigung der Zelle Kupfer löst sich vom Anodenableiter ab)

9 Sicherheit & Gefahren I Kurzschluss Überladen Hitze Löschen Quelle: YouTube

10 Sicherheit & Gefahren II Zu hoher Ladestrom Zu hoher Entladestrom Zu hohe Ladespannung Zu niedrige Zellenspannung Mechanische Belastung Thermische Belastung (Ladezeit) -> Ladeschaltung, Schutzschaltung, Sicherheitselemente in den Zellen, bauliche Vorkehrungen

11 Sicherheit & Gefahren III Gasen (Aufblähen), Chemikalien (Leitsalz im Elektrolyt) (LiPF6 (Lithiumhexafluorphosphat) + 2H 2 O LiF (Lithiumfluorid)+ PF3O + 2HF (Fluorwasserstoff/ Flusssäure)), Brand, Explosion Wasser wirkt als Brandbeschleuniger (2Li + 2H 2 O 2LiOH + H 2 ) - im Notfall mit Flüssigkeiten kühlen (Thermal Runaway)? Lithium reagiert sehr stark mit vielen Elementen -> Löschdecke, Feuerlöscher, Sand

12 Ladetechnik I/U (Preconditioning ) Constant Current (CC) Constant Voltage (CV) ( - Cut off/ Shutdown Trickle/ Time) Quelle: Datenblatt Panasonic UR18650A

13 Entladecharakteristik Panasonic Datenblatt Versuch mit alten Zellen. Links Entladekurve mit 1,5A Last. Oben Temperaturverlauf. Entlade- Schlussspannung: 3,1Volt. Periode: 5 Minuten Quelle: Datenblatt Panasonic UR18650A, eigene Versuche

14 Ladeschaltung Einfachster Lader für Einzelzellen: Konstantspannung (mit Strombegrenzung, weil max. 1C Ladestrom empfehlenswert) I = U (Ladegerät) U (Akku) / Ri (Akku) China-Variante (Ladeschaltung/ Lader mit Schutzschaltung für Betrieb)

15 Lithium-Spezial-ICs Lade/ Load-Sharing-ICs: MAX1811: Single-Cell (from USB-Port), 0,5% accuracy, precondition, max. 500mA, 4.1/ 4.2V programmable, open-drain output for charge status, enable, max. Vin 6V5, SOIC Intersil ISL6294: Single-Cell, charge current, EOC (end of charge) current programmable, precondition, EOC indication, 2 indication pins (-> µc), 1% accuracy, trickle charge, DFN, SOIC Microchip: MCP73831/ 33/ 37/ 38/ 71: 31: Single-Cell, status-led, programmable current 71: charge & power (-> datasheet) Schutzschaltung: DW01: Overcharge, overdischarge, overcurrent, Lad-sharing z.b. mit FS8205A Dual N-Channel Mosfet Maxim DS2762/ 64: Battery monitor, 2Wire, Temp., voltage, current DIY-Schutzschaltung mit µc, shunt, voltage über ADC

16 Zukunft Natrium-Ionen-Zellen? Lithium-Schwefel? Lithium-Sauerstoff? Magnesium-Ionen? Haltbare Silizium-Elektroden? Brennstoffzelle????

17 Buchtipps & Links Links: (China IC, YouTube) Bücher/ Hefte: Akkus und Ladetechniken, Franzis, ISBN: c t 2/ 2014, heise Verlag, S Elektor, November 2004, S. 16 ff

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