Technik allgemein » LiPo Lithium Polymer Batterien / Akkus

Sicherer Umgang mit LiPo Lithium Polymer Batterien / Akkus – Sicherheit hat Vorrang

Lerne aus anderer Leute Fehler, bevor du die gleichen machst! Getreu diesen Motto hatte ich Tony Phalen vom RC Driver Magazine um Erlaubnis gebeten seinen Artikel auf Deutsch zu veröffentlichen. Was er mit Freude auch bejahte weil das Thema Sicherheit im Umgang mit LiPo Akkus unter die Leute gebracht werden soll, damit diese mit Sorgfalt damit umgehen. Zu Beginn möchte ich mich auch bleich bei Max Bremer bedanken, er hat die fachgerechte Übersetzung des Artikels übernommen. DANKE

Ich (Tony Phalen) halte mich selber, für jemanden, der ein großes Wissen im RC-Bereich hat.
In fast jeder Rennklasse habe ich auch mal ein Rennen gefahren – angefangen vom Maßstab 1/18 bis hin zum Maßstab 1/5 Motorrad war alles dabei. Ich habe mit NiCd, NiMH und LiPo Batterien / Akkus gearbeitet auch sind mir alle Bürsten- sowie bürstenlosen (brushless) Antriebssysteme bekannt. Aber auch mit dieser Masse an Erfahrungen, gibt es immer noch Dinge die mich wie einen blutigen Anfänger aussehen lassen.

Vor ein paar Monaten, hat sich einer meiner LiPos entzündet, während ich an meinem Auto arbeitete. Ich hab eigentlich alles beachtet, was zu beachten war; ich habe ein High-End Ladegerät verwendet, habe die Modi alle richtig eingestellt, habe die Polung der Batterien beachtet, und auch der Balancer war richtig eingesteckt. Trotz all dieser Maßnahme, fing der Akku Feuer und verbrannte meinen renntauglichen Tamiya F104X1 in einen Haufen aus geschmolzenem Plastik. Zum Glück konnte ich das Fahrzeug samt Akku noch zu Hintertür aus dem Haus befördern, bevor der Akku platzte (was er auch im Flug schon tat…Verbrannte Armhaare riechen nicht wirklich gut). Diese Sache bewegte mich dazu, mich an einen Experten zu wenden.

Ich kontaktierte meinen guten Freund Ling. Er arbeitete in einem Entwicklungszentrum für Medizintechnischen Bedarf. Während seiner Zeit dort, war er für die Entwicklung einer Portemonnaie großen Ins,in Injektionspumpe verantwortlich. Für die, die es nicht wissen, dieser Gerätetyp braucht eine ganz schön große Menge Energie in einer sehr kleinen Bauform. Während dieser Entwicklungsarbeit, musste er sich auch mit der Konstruktion von Batterien und der Fehleranalyse eben dieser auseinandersetzen. Zu behaupten er habe Ahnung von LiPo Batterien, ist eine Untertreibung. Nachdem er von meinem LiPo „Zwischenfall“ gehört hatte, kontaktierte er mich und wir chatteten. Wir entschieden, dass es an der Zeit war ein wenig Licht in das Dunkel „LiPo“ zu bringen und das folgende Interview entstand aus dem besagten Chat:

Tony: Ling, kannst du mir sagen, was genau in einem LiPo verbaut ist? Wie ähnlich sind diese zu NiMH Zellen?

Lithium Polymer Battery LiPo AkkuLing: Eine LiPo-Zelle ist eine klassische Batteriezelle. Sie besteht aus einer Anode, einer Kathode und einem Separator. Diese Komponenten stecken in einem Aluminiumbeutel der mit einem flüssigen Elektrolyt gefüllt ist.
Da das Elektrolyt bei einem Lithium-Polymer-Akku in einem gelartigem Polymer (Kunststoff) gebunden ist und nicht flüssig wie bei einem herkömmlichen Lithium-Ionen-Akku, benötigt der Akku nicht zwingend ein festes Gehäuse um die technischen Strukturen (Abstände Elektroden, Elektrolytverteilung) sicherzustellen. Daher kann er in vielen Formen produziert werden. Statt eines festen Gehäuses können eventuell Verbundfolien verwendet werden, was ebenfalls zur einer etwas höheren Energiedichte des Gesamtsystems führt.

Eine LiPo-Zelle besteht aus einem Schichtaufbau, außen eine Alu-Folie, darunter eine Lithium-Kobaltoxid-Kathode, in der Mitte ein Separator, der Anode und Kathode trennt, dann eine Grafit-Anode, darüber eine Kupferfolie. Es gibt auch noch andere Mischungen auf dem Markt, aber im Großen und Ganzen ist dieser Aufbau der gängige.

Überraschender weise, nutzen RC LiPos, die gleiche Chemie wie z.B. die Akkus in einem Smartphone oder in einem Laptop. Es gibt aber einen Kompromiss den man bei Li-Ionen Zellen machen muss: Entweder hohe Energiedichte oder hohe Leistung. Laptops und Smartphones brauchen eher eine hohe Energiedichte, während RC Akkus eine hohe Stromstärke abgeben müssen. Der Unterschied liegt nur im Aufbau der Zelle.

Ein RC LiPo hat einfach mehrere Kathoden- und Anodenpaare um diese Stromstärken liefern zu können. Ein Typischer LiPo besteht aus 20-30 Anoden/Kathodenpaaren. Der Separator ist entweder Z- oder Spiralförmig zwischen die Anode und Kathode gewickelt. Stell dir einfach einen LiPo-Akku vor, der aus vielen kleinen einzelnen Zellen besteht, bei dem dann alle Anoden und alle Kathoden miteinander verbunden sind. Die dicke einer Zelle (In der Regel unter 10mm) wird nur durch die Anoden/Kathodenpaare begrenzt, die miteinander verschweißt werden. Wenn es zu viele Anoden und Kathoden sind, funktioniert die angewandte Schweißtechnik, nicht mehr richtig.

Tony: Danke für die Erläuterung der verschiedenen Typen. Ich denke niemand braucht einen 6500mah Akku mit 65C in seinem Iphone. Lass uns bitte über diese C-Rate sprechen.

LiPo Ladegerät mit BalancerLing: Praktisch ist damit die relative Lade- und Entladerate gemeint. Vereinfacht, m,tipliziere die Amperestunden einfach mit der angegeben C-Rate. Zum Beispiel eine 5Ah (5000mah) Batterie. 1C=5Ampere, 2C=10Ampere usw. Die Entladerate ist die Maximale Menge an Strom, den die Zelle liefern kann. Es gibt aber leider keine Industriestandard die diese Entladerate oder die Anzahl der Ladezyklen, die ein Akku halten muss, garantieren.

In der RC-Welt sagt die C-Rate so gut wie nichts aus. Ich kann garantieren, dass wenn man fast jeden Akku auch nur kurzzeitig mit der angegebenen C-Rate belastet, platzen wird. Für eine 5000mah Batterie mit 40C ist die Entladerate 200 Ampere. Eine komplette Entladung mit 200Ampere würde exakt 1,5minuten dauern. Es gibt einfach keine Anwendung im RC-Bereich die eine Batterie in 90Sekunden entleert. Ein echter Deans-Stecker schmilzt bei 80 Ampere – ein nachgemachter bei weniger.

Tony: Ich fand diese Zahlen immer schon ein wenig übertrieben. Ich vermute die beste Chance eine Batterie zu bekommen, die das hält, was drauf steht, ist eine Markenbatterie zu kaufen. Gibt es abgesehen davon noch eine Möglichkeit an eine Batterie mit der besten Preis/Leistung zu kommen?

Ling: Für einen normalen Nutzer ist es schwer, wenn nicht unmöglich. Der Unterschied zwischen guten und schlechten Batterien, liegt in der physischen Beanspruchbarkeit, in höheren Qualitätsstandards bei den verwendeten Materialien, bessere „Zellgleichheit“ und längere Haltbarkeit sowie bessere Produktionsbedingungen.

Auch wie die Akkus produziert werden, spielt eine Rolle. Ein Akku der in einem Reinraum produziert wurde, hat weniger Einschlüsse(Staubkörner) und ist somit natürlich leistungsfähiger. Wen die Akkus erst mal in Ihrer Aluhülle sind, sehen sie gleich aus. Die Produktionskosten einer „premium“ Batterie können fast 4mal höher sein, als die einfacher LiPos. Jede Premiumbatterie ist natürlich teurer im Verkauf, das heißt aber nicht, dass eine teure Batterie immer eine gute ist.

Tony: Alles in Allem kann man sagen das es bei LiPo im großen und ganzen eine „Du bekommt was du bezahlt hast“– Situation gibt. Gibt es Vor oder Nachteile zwischen den LiPo’s im Kunstoffgehäuse (Hardcase) und denen im Schrumpfschlauch (Softcase)?

Ling: Absolut! Erinnerst du dich an den Aufbau der Zellen in den diversen Schichten? Sie sind ja durch eine sehr dünne Schicht Polymer getrennt. Eine Delle (speziell an den Kanten) kann schon einen Anode oder Kathode beschädigen. Diese könnten dann durch die natürliche Expansion und Kontraktion beim Laden/ Entladen sich vom Separator entfernen. Dies könnte dann zu einem Kurzschluss in der Batterie führen. Im besten Fall schließt sich die Batterie intern kurz und hat in dieser Zelle keine Ladung mehr – im schlechtesten entsteht durch den Kurzschluss Hitze und die Batterie fängt Feuer. Also kurz gesagt: Ein festes Gehäuse ist immer besser als nur Schrumpfschlauch.

Tony: Gut zu wissen… Ich werde all meine Akkus in ein Gehäuse bauen. Lass uns über das Laden der Batterien reden. Gibt es Grundregeln?

Ling: Da gibt es nicht viel. Fast alle nutze ein Standard CC/CV Ladeprofil. Mit höherer Laderate (2C und höher) nimmt aber die Lebenszeit eines LiPos rapide ab. Die Ausnahme bilden da LiFe Akkus. Diese sind aber durch den höheren Anschaffungspreis nicht sehr verbreitet.

Tony: Also sollte man sich einfach an die gebräuchlichen LiPo Laderaten halten?

Ling: Ich empfehle für LiPos eine Laderate von 1,5C oder darunter mit einem LiPo-Ladegerät.

Tony: Die Frage, die bestimmt sehr viele beantwortet haben wollen ist: Muss ich immer mit einem Balancer laden?

Ling: Das ist eine umfangreiche Frage. Für ein Premium 2s Pack(7,4V) ist es nicht wirklich nötig. Für Batterien mit mehreren Zellen (3s und darüber) ist es sehr ratsam immer mit einem Balancer zu laden. Für günstige Batterien empfiehlt es sich IMMER mit einem Balancer zu laden.

Tony: Aus Sicherheitsgründen sagen wir einfach, dass es sicherer ist IMMER mit einem Balancer zu laden.

Ling: Balancing ist eine Art Versicherung für die Batterie nicht überladen zu werden. Überladen ist ein sicherer Weg einen LiPo zum brennen zu bringen. Im Gegensatz zu NiMH oder Ni-Cd Batterien können LiPos keine Überladung vertragen.

Tony: Was heißt es wenn eine Batterie aufgebläht aussieht?

Ling: Das Elektrolyt ist dabei zu zerfallen. Eine Menge Dinge können das verursachen: Überladung, zu hohe Entladung, Überhitzung, Einschlüsse in der Zelle, interne Korrosion oder schlechtes Ausgangsmaterial. In flüssiger Form braucht das Elektrolyt wenig Platz, aber Gasförmig, ist das eine ganz schöne Menge. Natürlich ist ein explodierender LiPo schlecht. Die Anoden-/Kathodenschichten sind Vakuumverpackt in einer Aluminiumhülle. Dieses Vakuum hilft die Anoden und Kathoden an Ort und Stelle zu halten. Wenn der Akku sich bläht, ist auch das Vakuum dahin. Die Chance, dass es dann einen Kurzschluss gibt und es somit zum Brand kommt, ist natürlich um das Zigfache erhöht.

Tony: Wie lagere ich meine LiPos am besten?

Ling: Lagerung ist auch entscheidend für die Lebensdauer der Batterie. Besonders die Temperatur ist ein wichtiger Faktor. Eine Faustregel ist das pro 10Grad mehr die Entladerate das Doppelte der CRate ist. Halte deine Akkus also so kühl wie möglich. Auch sollte man LiPos wenn man sie lagert immer zwischen 20 du 80% geladen lassen. Eine voll geladene Batterie wird gelagert nicht so lange halten wie eine zu 60% geladene. Stell dir als Beispiel eine Sprungfeder vor – Wenn du die nur halb komprimiert lagerst, und du sie dann entlastest, wird Sie in ihre alte Form zurückkehren. Wenn du eine Feder aber unter 100% Kompression lagerst, wird sie irgendwann nicht in ihre alte Form zurück federn.

Tony: Was mache ich denn wenn ich aufgeblähte Zellen habe und diese entsorgen will?

Ling: Ich habe über diverse Methoden mit Salzwasser gelesen. Die Salzlösung leitet den Strom und entlädt die Batterie. Auch ist Wasser da, falls die Batterie Feuer fangen sollte. Das hört sich gut an. Ich finde es aber übertrieben und schwerfällig. Ich persönlich entlade die Zelle bei einer niedrigen Entladerate. Du kannst die Batterie auch, mit abgeschalteter Liposchutzfunktion, langsam leer fahren. Also du musst die Batterie wirklich leer fahren. Eine leere Batterie hat keine Energie mehr. Und wo keine Energie mehr ist, entsteht kein Feuer.

Lipo Safebag SicherheitssackTony: Ich fasse zusammen: Du würdest dein Auto so lange langsam fahren bis der Akku leer ist? Ich würde es nicht mögen, wenn ein anderes Auto auch noch Feuer fangen würde.

Ling: Wenn du ein Entlader hast, würde ich den nutzen und den Lipo in einem Liposack (Safebag) verstauen. Das wäre der sicherste Weg, wenn du nicht dein Auto riskieren wolltest. Ein Entlader kann ganz einfach sämtliche Energie aus dem Akku ziehen.

Tony: Danke Ling. Ich finde es toll, dass du mir bei diesem Artikel so geholfen hast.

Ling: Kein Problem. Lass mich wissen wenn du mal wieder ein Rennen in der Nähe fährst

DANKE an RC Driver Magazine & Max Bremer. Geht behutsam mit den kleinen Kraftpaketen um!