Vom Wesen der Lithiumionen - Technische Anwendungsschrift

Ich möchte dankend erwähnen, die Wissenschaftler, deren aufopfernde Tätigkeit die Entwicklung von Energiespeichern auf Basis von Lithiumionen ermöglichte. Viele von ihnen sind, nach einem langen Leben in kargen Laborräumen verblichen und ihre Namen sind uns nur noch aus Fachbüchern bekannt. Ihnen widme ich diese Schrift.

Wie aus vielen anderen Schriften bekannt sind auf Lithium basierte Energiespeicher empfindlicher als herkömmliche galvanische Elemente. So reagieren sie aufs empfindlichste auf

  • Überladung auf Spannungen von mehr als 4,2 Volta pro Zelle, falls 3,7 Volta die Nennspannung der Zelle sei.
  • Entladung auf weniger auf 2,4 Volta pro Zelle, auch wenn diese durch sehr lange Lagerung bedingt wurde.
  • Zu schnelle Ladung mit mehr Strom als die Nennkapazität ausweist. Der Schätzwert für den maximalen Ladestrom liegt bei genau so vielen Ampère wie die Zelle an Ampèrestunden Nennkapazität aufweist.
  • Zu hohe Temperaturen über 50 Grad Celsius.
  • Unsachgemäßer Umgang der die Zelle mechanische beschädigen könnte. Zum Beispiele Verbiegen der Zelle, Entfernung der Schutzhülle oder dem Versuch, mit einem Bohrer Befestigungslöcher anzubringen.

Bei sachgemäßer Handhabung jedoch belohnt uns die Energiezelle durch einen hohen Ausstoß an elektrischer Energie über sehr lange Zeit. Dies bei geringem Gewichte.

Zu Ihrer eigenen Sicherheit, laden Sie niemals Lithiumionenakkumulatoren in der Nähe von brennbarem Material auf. Bei Experimenten empfiehlt es sich, als Unterlage eine Keramik- oder Steinfliese zu benutzen. Bei Bränden sollte nicht Wasser, sondern Löschdecke oder CO2-Löscher zum Einsatz kommen. Betrieb und Entladen sind, soweit keine Kurzschlüsse entstehen, kaum mit Risiken verbunden.

Die Entwicklung der Energiespeicher auf Basis von Lithiumionen ist kaum abgeschlossen, so ist bereits vieles an Erfindung im Gange oder wird als Anwendung für die Zukunft gesehen.

Fahrzeuge werden elektrisch geladen um so, ohne Gestank zu verbreiten, in der Weise wie dies Dampflokomotiven und Petroleummotoren tun, Personen und Güter zu bewegen. Diese sind so leise, dass man gar in der Nacht oder am Sonntag damit fahren könnte.

Die Energie von Blitzen würde verwendet und gespeichert um lenkbare Luftschiffe mühelos von Kontinent zu Kontinent zu bewegen.

Die elektrische Energie von Zitteraal, Teufelsrochen und allerlei noch unbekanntem elektrischem Meeresgetier könnte man speichern und damit Schiffe und Tauchboote betreiben.

Tragbare Fernsprechapparate und Fernschreiber ohne Kabelverbindung könnten nach dem Prinzip des drahtlosen Marconitelegrafen funktionieren. So könnte von unterwegs Nachrichten auszutauschen. Hierzu wäre ein weltumspannendes Netz an Antennen zu errichten, so dass jeder Apparat zu fast jeder Zeit innerhalb der Reichweite eines solchen ist.

Besonders Studenten der Ingenieurwissenschaften verfügen oft über ein knappes Budget und ihnen ist kaum zuzumuten, neue Zellen anzuschaffen um mit diesen Experimente durchzuführen. Da jedoch die, bereits unter Kapitel 2 besprochenen Fernsprechapparate und Fernschreiber bereits nach wenigen Jahren durch neue ersetzt werden, fallen in diesem Bereich viele gebrauchte Zellen an. Meist haben die Zellen auch nach Jahren noch mehr als die Hälfte ihres Speichervermögens.

Da jeder Fernsprechapparat oder Fernschreiber eine eigene Zelle verwendet, die in keinen anderen Apparat passt, kann man bei den typischen Handelshäusern für elektrische Waren sehr günstig Zellen erstehen, die von Apparaten herrühren, die nicht mehr verwendet werden. Man achte jedoch hier auf das Alter der Zellen und gebe sie dem Händler zurück, falls sie, auch bei kräftigem Preisnachlass, sich nicht als gute Affäre herausstellen. Oft werden solche Zelle leider unsachgemäß gelagert und entleeren sich durch Selbstentladung so sehr, dass sie dauerhaft Schaden nahmen.

Die Angaben auf den Zellen sind oft in asiatischen Sprachen verfasst. Meist sind die physikalischen Eigenschaften jedoch in arabischen Ziffern und dem französischen, dezimalen Einheitensystem angegeben.

  • mAh = Kapazität in Milliampèrestunden
  • V = Nennspannung (meist 3,6-3,7V), oder Ladeschlussspannung (meist 4,1-4,2V)

 

Die Zellen entladen sich mit der Zeit von allein. So wurde bereits von Zellen berichtet die, vollgeladen und sechs Monate gelagert, bereits irreparablen Schaden genommen hatten. Wie lange eine Zelle ohne weitere Aufladung ihre Speicherfähigkeit behält, ist von sehr vielen Faktoren abhängig. Vorsichtig sollte man bei Zellen sein, die sehr günstig angeboten werden. Dies meist in Apparaten deren Herkunft zwielichtig ist. Als goldene Regeln gelten jedoch für alle Zellen:

I) Führen Sie Kalender und laden Sie jede Zelle alle sechs Monate vollständig auf. Auch wenn sie nicht gebraucht wird. Halten Sie zudem immer genug Zellen auf Vorrat. So manche Expedition musste bereits vorzeitig abgebrochen werden, weil der Ausrüster sich zu sehr auf eine kleine Anzahl an Energiespeichern verließ.

II) Verwenden Sie lieber alte Zellen von hervorragender Qualität als solche neu gekaufte, deren Herkunft nicht überzeugend belegt werden kann.

III) Führen Sie stets die Ausrüstung für die Ladung der Zellen mit sich.

IV) Bewahren Sie die Zellen in trockenen Säckchen auf, die gut zu verschnüren sind. Fügen sie ggf. Reiskerne hinzu, um sie trocken zu halten.

V) Fügen Sie sofort nach dem Kauf die später in diesem Buche beschriebenen Kabel und Stecker an. So vermeiden Sie gefährliche Kurzschlüsse.

VI) Lagern Sie die Zellen beim Aufladen einzeln in Blechdosen und achten Sie besonders auf eine feuerfeste Unterlage (siehe Kapitel 1). Dies vermindert die Brandgefahr.

 

Im fernen Osten werden Schaltungen hoher Qualität hergestellt, die erfolgreich in alle Welt exportiert werden. Es ist notwendig, eine Kontaktperson zu kennen, mit der man das Kaufgeschäft abwickelt. Neben der erfolgreichen Handelsfirma Amazon des Herrn Bezos kann ich auch Herrn Ali Express sehr empfehlen. Beide geben ausreichend Garantien gegen Überfälle und Verzögerungen auf dem Transportwege. Herr Express bietet meist günstiger an, liefert aber nur sehr langsam. Herr Bezos ist ein schneller Lieferant, verlangt aber hierzu deutlich höhere Preise. Beide sind gute Geschäftsleute und werden einmal reich werden.

Im Aethernetz findet man Schaltungen verschiedener Hersteller. Hier einige Beispiele, wie man den Aethernetzwegweiser der Familie Google bemüht um die benötigte Schaltung zu finden:

  • Micro USB 5V 1A 18650 TP4056 Li ion Battery Charger Module
  • DC 5V 2.1A Mobile Power Diy Board 4.2V

Beide verwenden Schaltungen wie den DD06CVSA und den DW01-P zum Dosieren der Energie und den TP4056 zum Schutze der Zelle vor Zerstörung auf elektrischem Wege. Die Schaltungen sind sehr klein und man sollte sich etwas einfallen lassen um sie sicher zu montieren.

Folgende technische Daten sind wichtig:

  1. Der Ladestrom. Beim MCIGICM Micro USB 5V 1A 18650… von Ali Express ist er 1A, also für Zellen ab 1000 mAh. Die DD06CVSA DC 5V 2.1A desselben Lieferanten lädt bereits mit 2,1A und eignet sich nur für große Zellen oder solchen, die für die schnelle Ladung konzipiert sind. Bei Unsicherheit überprüfe man laufend die Temperatur der Zelle beim Laden.
  2. Die Ladespannung. Sie sollte für Zellen mit 3,7V angepasst sein. Manche Zellen weichen hiervon ab. Daher beachte man den Aufdruck auf der Zelle. Bei beiden bereits beschriebenen Schaltungen bricht die Ladung bei 4,2V ab.
  3. Anschlüsse. Ein Mikro-USB Anschluss für die 5 Volt Spannungsversorgung ist günstig, da dann zumindest auf der Seite kein Löten notwendig ist. Zudem lässt sich der Stecker zur Notabschaltung schnell entfernen. Um die Netzspannung von 230V auf die benötigen 5V zu reduzieren, sind in vielen Laboren bereits vielfach Steckernetzteile mit USB Anschluss vorhanden, die gerne gebraucht werden können.
  4. Oft kann man mit diesen Schaltungen nicht gleichzeitig laden und entladen. Daher lohnt es sich, sich eine separate Ladeschaltung zu bauen und für das Endgerät eine zweite nur zum Entladen zu benutzen.

Um die Schaltungen und die Batterien zu verbinden eigenen sich Steckvorrichtungen. Solche vom Typ USB sicher nicht, da sie von Haus aus für 5 Volt Spannung vorgesehen sind. Verwechslungen wären mit Schäden verbunden. Besser eignet sich ein Stecksystem aus dem Bereich der Personalcomputer. Z.B. das „High Quality Fan Cable 12" Female to Dual 4 Pin Male Y PWM Computer Fans Extension Power Cable Black” von Ali Express. Es ist dazu gedacht, Lüfter mit einer Schaltung zu verbinden und lässt sich beliebig als Verlängerung aneinander reihen. Zudem sind sie Stecker und Drähte für Ströme bis 3 Ampère durchaus angepasst.

Von diesem, in Kapitel 5 bereits beschriebenen, Kabel nehme man jeweils eines und durchschneide es in der Mitte. Dann nutze man 2 der 4 Drähte (vorzugsweise den blauen für das Minus und den roten für das Plus) und entferne von diesen ein kurzes Stückchen Isolierung. Für die Zelle verwende man stets das Kabelteil, dessen Stecker keine offenen Stifte enthält. Dies erhöht die Sicherheit. Danach ist es angebracht, das nun offene Kabelende mit Schrumpfschlauch zu stabilisieren. Anschließend werden die so ab isolierten Drahtenden mit den entsprechenden Anschlüssen der Zelle verbunden.

Sind die Anschlüsse der Zelle nicht klar gekennzeichnet, so lohnt es sich, mit einem Galvanometer (oder Multimeter) die Spannung zu messen. Oft befindet sich neben den (+) und (-) Kontakten ein oder mehrere andere. Diese sind hier jedoch nicht relevant.

Das Löten sollte mit angepasster Temperatur, bestem Elektroniklötzinn und in kurzer Zeit geschehen. Die meist vergoldeten Kontakte sind gut lötbar. Spezielle Zellen mit sonderbaren Anschlüssen sollte man erst nach etwas Übung verwenden.

Das übrig gebliebene Kabelende kann nur seinerseits an die Ladeschaltung „MCIGICM Micro USB 5V 1A 18650…“ oder „DD06CVSA DC 5V 2.1A“ gelötet werden. Auch hier kommt der rote Draht an B+ oder bat+ und der blaue an B- oder bat-. Danach kann die Zelle aufgeladen werden. Das Aufladen kann mehrere Stunden dauern.

Es empfiehlt sich in jedem Falle, die Ladevorrichtung auf einer feuerfesten Kachel aufzubauen um Schaden an Sache, Leib und Leben durch brennende Zellen zu verhindern.

Es ist sinnvoll, die Zellen außerhalb des Labors nicht offen zu zeigen. Wild lebende Völker und vielmehr noch ungebildete Zeitgenossen sehen in Energiespeichern immer noch Teufelszeug mit mystischen Kräften. Auch behaupten sie gerne, stinkende, lärmende Petroleummotoren seien dieser Technik vorzuziehen, was völliger Unsinn ist. Sie lassen sich, wegen ihrer flachen Bauform, leicht in einer Manteltasche, innerhalb des Hutes oder in einem Handtäschchen verbergen.

Bei der Verwendung ist die Brandgefahr der Zellen um ein Vielfaches geringer als beim Aufladen. Demnach sich als Sicherheitsvorkehrungen nur noch die Aufsicht zu nennen und der Schutz vor Temperaturen über 40 Grad Celsius. Unter Hüten wird die maximale Temperatur schnell erreicht, falls der Kopf angestrengt ist entsprechend heiße Ausdünstungen von sich gibt. trotzdem montiere man sie nicht fest in Kleidungsstücke und lasse sie nicht in geschlossenen Fahrzeugen liegen, die der Sonne ausgesetzt sind.

Verwendet man die reine Zellenspannung von 3,7 Volt, so beachte man, dass diese nicht konstant ist. Im Laufe des Entladens verändert sie sich nach unten. Dies ist nicht für alle Anwendungen gleichermaßen anzustreben. Besser ist oft die Verwendung mit einer der in Kapitel 5 beschriebenen Ladeschaltungen. Nur dass jetzt nicht mehr der USB- Anschluss oder In+ und In- benutzt werden, sondern Out+ und Out-. Der Anschluss der Zelle an B+/B- oder bat+/bat- geschieht in gleicher Art wie beim Laden. Die zwischen Out+ und Out- vorhandene Spannung ist weitestgehend konstant bis zur Entladung. Zudem eignen sich 5 Volt zum Betrieb vieler Schaltungen vorzüglich. Dies gilt ebenfalls für Quantenlämpchen (englisch LED), die, falls sie in blauer oder weißer Farbe leuchten, mehr als 4 Volt benötigen.

 

Dieses Modul kann leider die Zellenspannung nicht regeln, so dass am Ausgange immer die aktuelle Zellenspannung anliegt, die während des Entladens mit circa 4,1V beginnt und dann stetig abfällt und bei 2,5V abgeschaltet werden sollte um Schaden von der Zelle abzuwenden.

Dieses Modul hingegen Regelt die Ausgangsspannung auf exakt 5V und halt diese, auch wenn die Zellenspannung sich verändert, Konstant. Auf dem Modul befinden sich zudem 4 gelbe Quantenleuchtkörper, die den momentanen Zustand der Zelle abschätzen lassen. Leuchten alle 4, so ist die Zelle vollgeladen.

Bei diesem Modul muss der Eingang KEY mit dem Ausgang VOUT verbunden werden um das Gerät zu aktivieren.