Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus

Im Modellbau und sehr vielen DIY-Elektronik-Projekten werden gerne Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus verwendet. Dieser Beitrag soll einen Überblick über diese beiden Batterie-Typen geben.

Lithium-Ionen-Akkumulator

Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben eine höhere spezifische Energie (Energie pro kg) als andere Akkumulator-Typen. Sie reagieren auf Tiefentladung und auf Überladung nachteilig und brauchen deshalb elektronische Schutzschaltungen.

Lithium-Polymer-Akkumulator

Lithium-Polymer-Akkumulatoren (auch LiPo genannt) sind eine spezielle Bauform der Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit verschiedener Zellchemie. Eine einzelne LiPo-Zelle hat eine Nennspannung von 3,7V, wobei die Ladung sich real im Bereich zwischen 3V (="leer") und knapp 4,3V (="geladen") bewegt.
Durch die besondere Konsistenz des verwendeten Elektrolyten (feste bis gelartige Folie auf Polymerbasis) ermöglicht es eine freiere Gestaltung der Zellform und kann daher besser an die Anforderungen angepasst werden (z.B. sehr flache Akkus für Smartphones).

Verwendung

LiPos haben sehr vielfältige Einsatzgebiete und werden beispielsweise im Modellbau (z.B. Drohnen), Unterhaltungselektronik (MP3-player, Smartphones, Tablets, E-Book-Reader, Drahtlose Kopfhörer, ...), Elektroautos, Embedded- und DIY-Elektronik (z.B. Wearables- und E-Textile-Projekte) verwendet.

Vorteile von LiPos gegenüber herkömmlichen Akkus (z.B. NiMH):

• Sehr variable Bauformen möglich
• Hohe Energiedichte (hohe Kapazität auf geringes Gewicht)
• Aufrechterhaltung einer konsistenten Spannung bzw. Ausgangsleistung während des Betriebs
• Hohe Entladeraten (=hoher Stromfluss) möglich
• Hohe Ladestromraten (=schnelles Aufladen) möglich
• Kein "Memory-Effekt"

Nachteile von LiPos:

• Schädliche Tiefentladung bzw. Überladung (zusätzliche Steuerelektronik ist notwendig)
• Betrieb unterhalb von 0°C nicht möglich/schädlich
• Lagerung und Betrieb unterhalb 10°C nicht empfohlen
• Lagerung und Betrieb oberhalb von 60°C schädlich
• Hohe Erwärmung während Betrieb bzw. beim Laden mit verhältnismäßig hohen Strömen
• Explosions- bzw. Feuergefahr bei Kurzschluss bzw. Beschädigung der Zellen

Gefahren vermeiden

LiPos können u.U. bei falscher Handhabung bzw. Lagerung anfangen zu brennen oder sogar explodieren. Folgende Empfehlungen sollten daher immer berücksichtigt werden, um dieses Risiko zu verringern:

• LiPos gehören nicht in Kinderhände
• Immer die richtige Polung beachten
• Nur mit geeignetem Ladegerät mit integrierten Balancern (z.B. SkyRC IMAX B6 LiPo Balanced Charger) laden
• LiPos enthalten giftige bzw. ätzende Stoffe, die die Haut verletzen können, daher beschädigte Akkus immer fachgerecht entsorgen und geeignete Handschuhe tragen. (Tipp: Schadhafte Zellen riechen süßlich/fruchtig, falls Elektrolyt austritt.)
• LiPos nie öffnen oder beschädigen
• LiPos nie kurzschließen
• LiPos nie zu kalt bzw. heiß werden lassen
• LiPos vor der Lagerung auf die richtige Lagerspannung bringen
• Warme LiPos vor dem Laden abkühlen lassen
• Aufgeblähte LiPos nicht weiterverwenden oder laden, sondern fachgerecht entsorgen
• LiPos zur Lagerung aus Geräten entfernen und "LiPo-Safe" verwenden (=feuerfeste Box)
• Maximalen Ladestrom nie überschreiten (empfohlen sind <=1C)
• Maximalstrom keinesfalls überschreiten und nur auf 80% der Nennkapazität entladen
• LiPos nie unbeaufsichtigt laden

Zellen/Typen

Um auch höhere Spannungen als 3,7V zu realisieren werden mehrere LiPo-Zellen oft in Reihe geschaltet. Dies ist auch anhand der sogenannten S-Zahl an einem Batteriepack ersichtlich, z.B.:

Kapazität

LiPo-Zellen können auch parallelgeschaltet werden, um die Gesamtkapazität des Akkus zu erhöhen. Dies wird durch eine Zahl gefolgt von einem P angezeigt, beispielsweise entspricht die Bezeichnung 3S2P eines Akkus 2× 3-Zellen-Serienpakete, die parallel angeschlossen sind, um die Kapazität zu verdoppeln.

C-Rate bzw. Entladestrom

LiPos benutzen die Kenngröße C-Rate für die maximal zulässige Dauerstromentnahme, also würde beispielsweise ein 10C LiPo mit 1500mAh Kapazität 10× 1500mA und damit 15 Ampere Dauerstrom (im Optimalfall für eine Stunde) liefern. Es können auch kurzeitig höhere Ströme entnommen werden, aber das verkürzt die Lebensdauer und kann u.U. auch zum Aufblähen oder zur Entzündung des Akkus führen (z.B. bei einem Kurzschluss). Vor allem beim Modellbau (Flugzeuge/ Quadcopter) sollte der Akku deutlich belastbarer sein, als die Stromaufnahme des Systems mindestens erfordert, denn gerade beim Einsatz von Motoren gibt es oft hohe Schwankungen im Stromfluss.
Aktuell sind Lithium-Polymer-Akkus mit bis zu 55C Entladerate erhältlich. Kurzzeitig (5–10 Sekunden) können diese auch mit der doppelten C-Rate entladen werden.

Stecker

Von der Vielzahl an verfügbaren Anschlüssen und Buchsen habe ich zwei wichtige Vertreter herausgesucht:

Aufbewahrung + Lagerung

Für eine kurzfristige Aufbewahrung, d.h. den Akku über Stunden und ggf. Tage in Bereitschaft halten, sollte ein LiPo kühl (18°C-20°C) und trocken in einem LiPo-Safe (o.ä.) aufbewahrt werden. Im Idealfall sollte diese Art der Lagerung möglichst kurz gehalten werden, um einerseits die Haltbarkeit des Akkus zu erhöhen, aber auch um das Gefahrenpotential niedrig zu halten.
Wenn der Akku jedoch längerfristig (Wochen bzw. Monate) unbenutzt gelagert werden soll, dann empfiehlt sich auf jeden Fall den Akku auf ca 40%-50% seiner Kapazität zu bringen, d.h. sogar ggf. zu entladen. Viele Ladegeräte bieten diese Möglichkeit an, den Akku in die richtige "Ladespannung" zu bringen. Auch nach dieser Vorbereitung sollte eine kühle und trockene Lagerung in einem LiPo-Safe gewährleistet sein.

Laden & Entladen

Lithium-Polymer-Akku dürfen niemals direkt (d.h. ungeschützt) ge- oder entladen werden. Dafür sind bei den meisten Akkupacks schon immer sogenannte Batterie-Management-Systeme (BMS) mitverbaut. Diese bestehen aus mehr oder weniger gut versteckten, kleinen Platinen, die mit ihren elektronischen Komponenten dafür sorgen, dass die LiPos weder zu tief entladen noch zu hoch geladen werden aber auch vor einem zu hohen Entladestrom (z.B. Kurzschluss) schützen können.

Das Entladen findet meist im Gerät statt und kann u.U. durch sehr hohe Ströme zu einer starken Erwärmung des LiPos führen. Hier sollte man darauf achten, dass 60°C nicht überschritten werden (ideale Gebrauchstemperatur ca. 35°C). Nach dem Betrieb sollte man den LiPo immer erst abkühlen lassen, wenn er wieder verwendet oder geladen werden soll. Da LiPos keinen sog. Memory-Effekt besitzen, empfiehl es sich, die Akkus nicht komplett leer laufen zu lassen, sondern bei ca. 10% Akkuleistung das Entladen beenden. (LiPos mögen keine Tiefentladung).
Eine besondere Form ist das Entladen des Akkus zur längerfristigen Lagerung (siehe weiter unten).

Zum Laden des LiPos sollten immer ein geeignetes Ladegerät mit integrierten Balancern verwendet werden. Diese steuern optimale den Strom zu jeder einzelnen Zelle des Akkupacks und verlängern die Lebenszeit des LiPos und mindern die Gefahren beim Laden. Als Ladestrom haben sich für den Anfang 1C bewährt, nach ein paar Ladungen (Zyklen) kann dieser dann auf die vom Hersteller angegebene maximale Laderate erhöht werden.
Grundsätzlich sollte der Akku zum Laden auf der richtigen Temperatur sein (grob 15°C bis 35°C).

Zusätzlich sei noch erwähnt, dass weder beim Laden noch beim Entladen zu dünne Kabel (oder Stecker) verwendet werden sollten. Hohe Ströme erzeugen starke Wärme in zu dünnen Leitungen und können durchbrennen oder schmelzen.

Haltbarkeit erhöhen

Wenn man ein paar Tipps beachtet, können LiPos lange Zeit und auch viele Lade-Zyklen eine stabile Leistung bereitstellen:

• Kühl, trocken und halbvoll lagern, d.h. 3,7V pro Zelle bei <20°C
• Vor Laden und Entladen LiPo auf Arbeitstemperatur bringen (30°C bis 40°C)
• Niemals überladen, d.h. immer unter 4,2V pro Zelle bleiben
• Niemals tiefentladen, d.h. immer über 3V pro Zelle bleiben
• Nur solange auf Arbeitstemperatur halten wie unbedingt nötig
• Nicht übermäßig warm betreiben, d.h. unter 55°C-60°C bleiben

Entsorgung

Irgendwann ist auch der haltbarste LiPos nicht mehr betriebsfähig und muss dann entsorgt werden. Auch defekte oder aufgeblähte LiPos gehören dazu.
LiPos dürfen keinesfalls über den Hausmüll entsorgt werden, sondern am besten in einem feuerfesten Behältnis zur nächsten Batterie-Sammelstelle (=Wertstoffhof) gebracht werden.
(mehr Info: umweltbundesamt.de)