- Geschichte der Lithium-Ionen-Batterie
- Li-Ionen-Batterie Chemie und Arbeiten
- Einführung in Lithium-Ionen-Batterien
- Einfachste Möglichkeit, eine 18650-Zelle zu verwenden
- Li-Ionen-Akku (Zellen in Reihe und parallel)
Wenn einige Tony Stark nicht in den Lichtbogenreaktor eintreten und ihn erfinden oder die Forschung zu Solar Power Satellites (SPS) für die drahtlose Energieübertragung durchkommt, müssen wir Menschen auf Batterien angewiesen sein, um unsere tragbaren oder entfernten elektronischen Geräte mit Strom zu versorgen. Der häufigste Typ von wiederaufladbaren Batterien, den Sie in der Unterhaltungselektronik finden, ist entweder Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer- Batterien. In diesem Artikel würden wir uns für Li-Ionen-Batterien interessieren, da diese tendenziell nützlicher sind als alle anderen Typen. Sei es eine kleine Powerbank oder ein Laptop oder etwas so Großes wie das neue Modell 3 des Tesla, alles wird von einem Lithium-Ionen-Akku gespeist.
Was macht diese Batterien so besonders? Was sollten Sie darüber wissen, bevor Sie eines in Ihren Projekten / Entwürfen verwenden? Wie können Sie diese Batterien sicher laden oder entladen? Wenn Sie neugierig sind, die Antworten auf all diese Fragen zu erfahren, sind Sie auf dem richtigen Artikel gelandet. Lehnen Sie sich einfach zurück und lesen Sie durch, während ich versuchen werde, dies so interessant wie möglich zu halten.
Geschichte der Lithium-Ionen-Batterie
Die Idee einer Lithium-Ionen-Batterie wurde erstmals 1912 von GN Lewis geprägt, wurde jedoch erst in den 1970er Jahren realisierbar und die erste nicht wiederaufladbare Lithium-Batterie wurde auf den kommerziellen Markt gebracht. Später in den 1980er Jahren versuchten die Ingenieure, die erste wiederaufladbare Batterie unter Verwendung von Lithium als Anodenmaterial herzustellen, und waren teilweise erfolgreich. Sie bemerkten nicht, dass diese Arten von Lithiumbatterien während des Ladevorgangs instabil waren und es zu einem Kurzschluss im Inneren der Batterie kam, der die Temperatur erhöhte und ein thermisches Durchgehen verursachte.
1991 explodierte in Japan eine solche Lithiumbatterie, die in Mobiltelefonen verwendet wurde, über dem Gesicht eines Mannes. Erst nach diesem Vorfall wurde erkannt, dass Li-Ionen-Batterien mit äußerster Vorsicht behandelt werden sollten. Eine große Anzahl dieser Batterietypen, die auf dem Markt waren, wurde dann von den Herstellern aus Sicherheitsgründen zurückgerufen. Später, nach langem Suchen, stellte Sony die fortschrittlichen Li-Ionen-Akkus mit einer neuen Chemie vor, die bis heute verwendet wird. Lassen Sie uns die Geschichtsstunden hier abschließen und einen Blick auf die Chemie eines Lithium-Ionen-Akkus werfen.
Li-Ionen-Batterie Chemie und Arbeiten
Wie der Name offensichtlich andeutet, verwenden die Lithium-Ionen-Batterien die Lithium-Ionen, um die Arbeit zu erledigen. Lithium ist ein sehr leichtes Metall mit hoher Energiedichte. Diese Eigenschaft ermöglicht es der Batterie, ein geringes Gewicht zu haben und einen hohen Strom mit einem kleinen Formfaktor bereitzustellen. Die Energiedichte ist die Energiemenge, die pro Volumeneinheit der Batterie gespeichert werden kann. Je höher die Energiedichte, desto kleiner wird die Batterie. Trotz der überwältigenden Eigenschaften von Lithiummetall kann es nicht direkt in den Batterien als Elektrode verwendet werden, da Lithium aufgrund seiner metallischen Natur sehr instabil ist. Daher verwenden wir Lithiumionen, die mehr oder weniger die gleichen Eigenschaften wie ein Lithiummetall haben, jedoch nichtmetallisch sind und vergleichsweise sicherer zu verwenden sind.
Normalerweise besteht die Anode einer Lithiumbatterie aus Kohlenstoff und die Kathode der Batterie aus Kobaltoxid oder einem anderen Metalloxid. Der Elektrolyt, der diese beiden Elektroden verbindet, ist eine einfache Salzlösung, die Lithiumionen enthält. Beim Entladen bewegen sich die positiv geladenen Lithiumionen in Richtung der Kathode und bombardieren sie, bis sie positiv geladen werden. Da die Kathode nun positiv geladen ist, zieht sie negativ geladene Elektronen an. Diese Elektronen fließen durch unseren Stromkreis und versorgen so den Stromkreis.
In ähnlicher Weise geschieht beim Laden genau das Gegenteil. Elektronen von den Ladungen fließen in die Batterie und daher bewegen sich die Lithiumionen in Richtung der Anode, wodurch die Kathode ihre positive Ladung verliert.
Einführung in Lithium-Ionen-Batterien
Genug der Theorie zu Lithium-Ionen-Batterien. Lassen Sie uns nun diese Zellen praktisch kennenlernen, damit wir sicher sein können, dass sie in unseren Projekten verwendet werden. Der am häufigsten verwendete Lithium-Ionen-Akku sind die 18650-Zellen. In diesem Artikel wird dies ebenfalls erläutert. Eine typische 18650-Zelle ist im Bild unten dargestellt
Wie alle Batterien hat auch die Li-Ionen-Batterie eine Spannungs- und Kapazitätsbewertung. Die Nennspannung für alle Lithiumzellen beträgt 3,6 V.Wenn Sie also eine höhere Spannungsspezifikation benötigen, müssen Sie zwei oder mehr Zellen in Reihe kombinieren, um diese zu erreichen. Standardmäßig haben alle Lithium-Ionen-Zellen eine Nennspannung von nur ~ 3,6 V. Diese Spannung kann bei voller Entladung bis zu 3,2 V und bei voller Ladung bis zu 4,2 V abfallen. Denken Sie immer daran, dass das Entladen des Akkus unter 3,2 V oder das Laden über 4,2 V den Akku dauerhaft beschädigt und möglicherweise auch zu einem Rezept für Feuerwerkskörper wird. Lassen Sie uns die Terminologien einer 18650-Batterie aufschlüsseln, damit wir sie besser verstehen können. Beachten Sie, dass diese Erklärungen nur für eine einzelne 18650-Zelle gelten. Wir werden später mehr auf Li-Ionen-Akkus eingehen, bei denen mehr als eine Zelle in Reihe oder parallel geschaltet ist, um viel höhere Spannungs- und Stromwerte zu erhalten.
Nennspannung : Die Nennspannung ist die tatsächliche Nennspannung einer 18650-Zelle. Standardmäßig ist es 3,6 V und bleibt trotz seiner Herstellung für alle 18650-Zellen gleich.
Volle Entladespannung: Eine 18650-Zelle darf niemals unter 3,2 V entladen werden. Andernfalls wird der Innenwiderstand der Batterie verändert, wodurch die Batterie dauerhaft beschädigt wird und möglicherweise auch eine Explosion auftritt
Volle Ladespannung : Die Ladespannung für Lithium-Ionen-Zellen beträgt 4,2V. Es ist darauf zu achten, dass die Zellenspannung zu keinem Zeitpunkt um 4,2 V ansteigt.
mAh-Bewertung: Die Kapazität einer Zelle wird normalerweise als mAh-Bewertung (Milliampere-Stunde) angegeben. Dieser Wert hängt vom Typ der von Ihnen erworbenen Zelle ab. Nehmen wir zum Beispiel an, unsere Zelle hier ist 2000 mAh, was nichts anderes als 2 Ah (Ampere / Stunde) ist. Dies bedeutet, dass wenn wir 2A aus dieser Batterie ziehen, dies 1 Stunde dauert und wenn wir 1A aus dieser Batterie ziehen, dies 2 Stunden dauert. Wenn Sie also wissen möchten, wie lange die Batterie mit Strom versorgt wird (Laufzeit), müssen Sie diese anhand der mAh-Bewertung berechnen.
Laufzeit (in Stunden) = Stromaufnahme / mAh Nennleistung
Wo sollte der aufgenommene Strom innerhalb der C-Nenngrenze liegen?
C-Bewertung: Wenn Sie sich jemals gefragt haben, wie viel Strom Sie maximal aus einer Batterie ziehen können, erhalten Sie Ihre Antwort aus der C-Bewertung der Batterie. Die C-Bewertung der Batterie ändert sich erneut für jede Batterie. Nehmen wir an, dass es sich bei der Batterie um eine 2-Ah-Batterie mit 3C-Bewertung handelt. Der Wert 3C bedeutet, dass die Batterie das Dreifache der Ah-Nennleistung als Maximalstrom ausgeben kann. In diesem Fall kann es bis zu 6A (3 * 2 = 6) als Maximalstrom liefern. Normalerweise haben 18650 Zellen nur eine 1C-Bewertung.
Maximaler Strom aus der Batterie = C Bewertung * Ah Bewertung
Ladestrom : Eine weitere wichtige Spezifikation eines Akkus ist der Ladestrom. Nur weil eine Batterie einen maximalen Strom von 6A liefern kann, heißt das nicht, dass sie mit 6A aufgeladen werden kann. Der maximale Ladestrom einer Batterie wird im Datenblatt der Batterie angegeben, da er je nach Batterie variiert. Normalerweise ist es 0,5 ° C, was die Hälfte des Wertes der Ah-Bewertung bedeutet. Bei einer Batterie mit einer Nennleistung von 2 Ah beträgt der Ladestrom 1 A (0,5 * 2 = 1).
Ladezeit: Die minimale Ladezeit, die zum Laden einer einzelnen 18650-Zelle erforderlich ist, kann anhand des Ladestroms und der Ah-Bewertung der Batterie berechnet werden. Zum Beispiel dauert das Laden eines 2-Ah-Akkus mit 1A-Ladestrom ca. 2 Stunden, vorausgesetzt, das Ladegerät verwendet nur die CC-Methode zum Laden der Zelle.
Innenwiderstand (IR): Der Zustand und die Kapazität einer Batterie können durch Messen des Innenwiderstands der Batterie vorhergesagt werden. Dies ist nichts anderes als der Widerstandswert zwischen den Anoden- (positiv) und Kathodenanschlüssen (negativ) der Batterie. Der typische IR-Wert einer Zelle wird im Datenblatt angegeben. Je mehr es vom tatsächlichen Wert abweicht, desto weniger effizient ist die Batterie. Der IR-Wert für eine 18650-Zelle liegt im Bereich von Milliohm, und es gibt spezielle Instrumente zur Messung des IR-Werts.
Lademethoden: Es gibt viele Methoden, die zum Laden einer Li-Ionen-Zelle praktiziert werden. Am häufigsten wird jedoch die 3-Stufen-Topologie verwendet. Die drei Schritte sind CC, CV und Erhaltungsladung. Im CC- Modus (Konstantstrom) wird die Zelle durch Variieren der Eingangsspannung mit einem konstanten Ladestrom aufgeladen. Dieser Modus ist aktiv, bis der Akku bis zu einem bestimmten Grad aufgeladen ist, dann der CV (Constant Voltage)Der Modus beginnt dort, wo die Ladespannung typischerweise bei 4,2 V gehalten wird. Der letzte Modus ist das Laden von Impulsen oder Erhaltungsladen, bei dem kleine Stromimpulse an die Batterie weitergeleitet werden, um den Lebenszyklus der Batterie zu verbessern. Es gibt auch viel komplexere Ladegeräte mit 7 Ladeschritten. Wir werden nicht viel tiefer in dieses Thema einsteigen, da es weit außerhalb des Rahmens dieses Artikels liegt. Wenn Sie jedoch an einer Erwähnung im Kommentarbereich interessiert sind, kann ich einen separaten Artikel über das Laden der Li-Ionen-Zellen schreiben.
Ladezustand (SOC)%: Der Ladezustand ist nichts anderes als die Kapazität des Akkus, ähnlich wie bei unserem Mobiltelefon. Die Kapazität einer Batterie kann nicht einfach mit ihrem Spannungsventil berechnet werden. Sie wird normalerweise unter Verwendung der Stromintegration berechnet, um die Änderung der Batteriekapazität über die Zeit zu bestimmen.
Entladungstiefe (DOD)%: Wie weit der Akku entladen werden kann, gibt der DOD an. Keine Batterie wird zu 100% entladen, da die Batterie bekanntlich beschädigt wird. Normalerweise wird für alle Batterien eine Entladungstiefe von 80% eingestellt.
Zelldimension: Ein weiteres einzigartiges und interessantes Merkmal der 18650-Zelle ist ihre Dimension. Jede Zelle hat einen Durchmesser von 18 mm und eine Höhe von 650 mm, wodurch diese Zelle ihren Namen 18650 erhält.
Wenn Sie mehr Terminologiedefinitionen wünschen, lesen Sie die Dokumentation zu MIT-Batterie-Terminologien, in der Sie sicher weitere technische Parameter für eine Batterie finden.
Einfachste Möglichkeit, eine 18650-Zelle zu verwenden
Wenn Sie ein absoluter Neuling sind und gerade erst mit 18650-Zellen beginnen, um Ihr Projekt mit Strom zu versorgen, ist es am einfachsten, vorgefertigte Module zu verwenden, mit denen Sie Ihre 18650-Zellen sicher laden und entladen können. Nur ein solches Modul ist das TP4056-Modul, das eine einzelne 18650-Zelle verarbeiten kann.
Wenn Ihr Projekt mehr als 3,6 V als Eingangsspannung benötigt, können Sie zwei 18650-Zellen in Reihe kombinieren, um eine Spannung von 7,4 V zu erhalten. In diesem Fall sollte ein Modul wie das 2S 3A Li-Ionen-Batteriemodul zum sicheren Laden und Entladen der Batterien nützlich sein.
Um zwei oder mehr 18650-Zellen zu kombinieren, können wir keine herkömmliche Löttechnik verwenden, um eine Verbindung zwischen beiden herzustellen, stattdessen wird ein Prozess verwendet, der als Punktschweißen bezeichnet wird. Auch beim Kombinieren von 18650 Zellen in Reihe oder parallel sollte mehr Vorsicht walten lassen, was im folgenden Absatz erläutert wird.
Li-Ionen-Akku (Zellen in Reihe und parallel)
Um kleine tragbare Elektronikgeräte oder kleine Geräte mit Strom zu versorgen, reicht eine einzelne 18650-Zelle oder höchstens ein Paar in Reihe. Bei dieser Art von Anwendung ist die Komplexität geringer, da die Anzahl der beteiligten Batterien geringer ist. Für größere Anwendungen wie ein Elektrozyklus- / Moped- oder ein Tesla-Auto müssen wir jedoch viele dieser Zellen in Reihe und parallel schalten, um die gewünschte Ausgangsspannung und Kapazität zu erreichen. Zum Beispiel enthält das Tesla-Auto über 6800 Lithiumzellen mit einer Nennleistung von jeweils 3,7 V und 3,1 Ah. Das Bild unten zeigt, wie es im Fahrgestell des Autos angeordnet ist.
Mit dieser großen Anzahl von zu überwachenden Zellen benötigen wir einen speziellen Schaltkreis, der diese Zellen einfach sicher laden, überwachen und entladen kann. Dieses dedizierte System wird als Batterieüberwachungssystem (BMS) bezeichnet. Die Aufgabe des BMS besteht darin, die individuelle Zellenspannung jeder Lithium-Ionen-Zelle zu überwachen und auch ihre Temperatur zu überprüfen. Abgesehen davon überwacht ein BMS auch den Lade- und Entladestrom des Systems.
Wenn Sie mehr als zwei Zellen zu einer Packung kombinieren, sollten Sie darauf achten, dass sie die gleiche Chemie, Spannung, Ah-Bewertung und den gleichen Innenwiderstand aufweisen. Auch während des Ladens der Zellen stellt das BMS sicher, dass sie gleichmäßig geladen und gleichmäßig entladen werden, so dass zu jedem Zeitpunkt alle Batterien die gleiche Spannung aufrechterhalten. Dies wird als Zellausgleich bezeichnet. Abgesehen davon muss sich der Entwickler auch Gedanken über die Kühlung dieser Batterien beim Laden und Entladen machen, da sie bei hohen Temperaturen nicht gut reagieren.
Ich hoffe, dieser Artikel hat Ihnen genügend Details geliefert, damit Sie sich ein wenig mit Li-Ionen-Zellen vertraut machen können. Wenn Sie spezielle Zweifel haben, können Sie diese gerne im Kommentarbereich hinterlassen. Ich werde mein Bestes geben, um darauf zu antworten. Bis dahin viel Spaß beim Basteln.