Lithium-Polymer-Akkus (Li-Po) – Wie funktionieren sie?

Geeignete Stromquellen in der Robotik sind ein äußerst wichtiges Thema, mit dem es sich lohnt, sich näher zu befassen. In den meisten Fällen entscheiden sich die Robotertechniker für Lithium-Polymer-Akkus, die hervorragende Leistungsmerkmale aufweisen, darunter eine hohe Lebensdauer und Nutzungssicherheit sowie keinen störenden Memory-Effekt. Eine wiederaufladbarer Akku ist ein sekundäres, zellenähnliches Gerät, das nach Entladung durch einen elektrischen Strom mit der richtigen Stromstärke wieder aufgeladen werden kann. Ein interessantes Merkmal von Akkus ist, dass die Freisetzung von elektrischer Energie durch chemische Reaktionen erfolgt, die dem Akkutyp entsprechen. In diesem Leitfaden erfahren Sie, was ein Lithium-Polymer-Akku ist, welche Funktionen er erfüllt und warum er bei weitem die erste Wahl für Robotertechniker ist.

Auf dem Markt befindliche Akkutypen

Die Hersteller versuchen, neue Ideen umzusetzen, die (zumindest in der Absicht) Lösungen der vorherigen Generation vom Markt verdrängen sollen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass im Sortiment vieler Geschäfte verschiedene Akkutypen zu finden sind, die sich vor allem in der Art der Energieabgabe und in ihrer Kapazität, ausgedrückt in Amperestunden oder Milliamperestunden, unterscheiden. Es ist erwähnenswert, dass Batterien gemeinhin als elektrische Zellen bezeichnet werden, die für die Stromversorgung elektronischer Geräte verwendet werden. Im Gegensatz zu Akkus sind sie Einwegartikel. Welche Arten von Batterien sind verfügbar?

• Die Blei-Säure-Batterie, die hauptsächlich in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, zeichnet sich durch sehr niedrige Produktionskosten pro Amperestunde, ein hohes Eigengewicht und die Fähigkeit aus, einen hohen Strom über einen kurzen Zeitraum zu entladen. In dieser Batterie befinden sich Schwefelsäure (37 %), eine Bleielektrode (-) mit einer großen Kontaktfläche (Gitterform) und eine Bleioxid-Elektrode (+) sowie ein isolierender Separator.
• Der Lithium-Ionen-Akku ist im Alltag am häufigsten anzutreffen, da er in praktisch allen elektronischen Geräten wie Laptops, Mobiltelefonen und anderen tragbaren Geräten zu finden ist. Der Lithium-Ionen-Akku hat eine innere Elektrode, die aus Kohlenstoff mit einer porösen Oberfläche besteht, während die andere Elektrode aus Metalloxiden besteht. Als Elektrolyt wird eine Flüssigkeit mit Lithiumsalzen oder auch ein Feststoff verwendet. Im Vergleich zu Batterien der älteren Generation weist die Lithium-Ionen-Variante keinen Memory-Effekt (Verringerung der Batteriekapazität) auf.
• Nickel-Cadmium-Akku. Die bei weitem seltenste Form der wiederaufladbaren Batterie in der modernen Welt, vor allem wegen des intensiven Memory-Effekts, der vom Benutzer immer wieder vollständige Lade- und Entladezyklen erfordert. Diese Zellen sind vor allem in kleinen AA- und AAA-Akkus zu finden, da der Nickel-Cadmium-Akku trotz seiner Nachteile eine gute Strombelastbarkeit aufweist. Die Elektroden bestehen aus Nickel-Cadmium-Hydroxid, während der Elektrolyt stark alkalisch ist, aber seine Zusammensetzung variiert stark zwischen den Herstellern.
• Der Nickel-Metallhydrid-Akku (NiMH) ist eine etwas bessere Version des Nickel-Cadmium-Akkus und zeichnet sich durch seine verbesserte Haltbarkeit und hohe Dichte (bis zu 360 MJ/m3) aus. Die gespeicherte Energie pro Batterie ist bis zu dreimal größer als bei der vorherigen Generation von Batterien, und auch der Memory-Effekt wurde (fast vollständig) beseitigt, allerdings hat sich der Effekt einer trägen Batterie verstärkt.
• Der Lithium-Polymer-Akku (Li-Pol) zeichnet sich durch eine Kombination aller positiven Eigenschaften der oben genannten Akkus aus. Daher lohnt es sich, ihn zu analysieren und sich über seinen Aufbau, seine Eigenschaften und seine Funktionsweise zu informieren.

Wie ist ein Lithium-Polymer-Akku aufgebaut?

Zunächst muss man wissen, dass der Lithium-Polymer-Akku eine Variante des Lithium-Ionen-Akkus ist und sich von diesem nur durch den Elektrolyt unterscheidet, der bei der Lithium-Ionen-Version flüssig ist, während das Polymer fest oder als Gel vorhanden ist. Die Vorteile dieser Batterieform haben dazu geführt, dass sie in der Robotik und in Geräten des täglichen Lebens weit verbreitet ist und ihre Eigenschaften täglich von Millionen von Verbrauchern genutzt werden.

Wie sieht nun der Aufbau des Akkus aus? Die Akkuzelle einer Lithium-Polymer-Batterie besteht vollständig aus leitfähigen Polymeren und metallischem Lithium, die durch eine dicht laminierte Beschichtung versiegelt sind. Auf der Vorderseite befinden sich zwei Anschlüsse, nämlich eine Anode aus Graphitverbindungen (+) und eine Kathode aus Lithiumverbindungen (-). Der Elektrolyt behält dank seiner festen oder gelartigen Form in jeder Situation seine ursprüngliche Form bei und ist daher sicher in der Anwendung und sehr viel weniger anfällig für Lecks.

Der gesamte li-po-Akku besteht aus einer Zelle oder einer Reihe von Zellen, so dass sich die einzelnen Modelle in ihrer Anzahl und damit in ihrer äußeren Größe und Kapazität unterscheiden. Eine Zelle ist Bestandteil eines Pakets, das bis zu 10 einzelne Lithium-Polymer-Zellen enthalten kann.

Ein Akkupack ist ein ganzer Akku, der aus mehr als einer Zelle besteht. In der Robotik werden meist Batterien in der 2- oder 3-Zellen-Variante verwendet, und es erweist sich für Konstrukteure als hilfreich, einen zusätzlichen Balancer-Stecker zu haben, der die Leitungen aller Zellen einzeln enthält. Dies vereinfacht die Arbeit bei der Erstellung von Hightech-Konstruktionen.

Sicherheit bei der Verwendung von Li-Po-Batterien

Eine Lithium-Polymer-Batterie ist ein Material, das recht leicht undicht werden kann, was zu einer Explosion oder einem Auslaufen führen kann. Da es sich bei dem Polymerelektrolyt um einen Feststoff oder ein Gel handelt, sind solche Unfälle zwangsläufig viel seltener als bei Batterien, bei denen der Elektrolyt eine Flüssigkeit ist. Die Lebensdauer von Li-Po-Batterien hängt hauptsächlich davon ab, wie sie verwendet werden.

Unter anderem kann eine Verringerung der Zielkapazität dazu führen, dass die Zellen auf eine Spannung von weniger als 3 V entladen werden, was in den meisten Fällen zu einer Beeinträchtigung des Betriebs führt. Etwas gefährlicher ist der Fall einer Überladung (über 4,2 V). Wenn die Zellen mit einem zu hohen Strom geladen werden, werden sie geschädigt, was sich unter anderem durch ein Anschwellen bemerkbar macht, was einfach zu einer Zündung führen kann. Obwohl diese Situation viel seltener auftritt, was vor allem auf die ständige Überwachung des Ladevorgangs durch ein geeignetes Ladegerät zurückzuführen ist, lohnt es sich dennoch, sich darauf vorzubereiten. Die Ursache für eine Entzündung kann in diesem Fall eine falsche Einstellung des Ladestroms oder die Verwendung eines selbst hergestellten Ladegeräts sein. Bei Lithium-Polymer-Batterien ist der Lade- und Entladestrom sehr wichtig.

Die größte Gefahr sind jedoch mechanische Probleme. Die Entzündung einer Batterie kann einen kleinen Kurzschluss an den Leitungen oder eine typische mechanische Beschädigung des Laminats verursachen, was in den meisten Fällen zu Bränden und damit zu vielen gefährlichen Folgen führt. Das kleinste Problem ist die Zerstörung der Batterie, während das größte Problem die Beteiligung eines Feuers in den Räumlichkeiten oder der im Bau befindlichen Struktur sein wird.

Jeder Kurzschluss ist sehr gefährlich und sollte unbedingt vermieden werden. Wenn er plötzlich auftritt, findet in der Batterie ein sehr schneller Entladevorgang statt, der zu einem Temperaturanstieg und zur Freisetzung einer sehr großen Energiemenge führt, die nicht gekühlt werden kann. Die Folge kann eine Entzündung sein. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass eine Entzündung nicht allein durch einen Funken ausgelöst wird – der Kurzschluss muss dauerhaft und kontinuierlich sein.

Die Zerstörung von Lithium-Polymer-Akkus kann manchmal auch die Folge von Missbrauch sein. Die Ursache für die Beschädigung kann unter anderem ein falscher Anschluss des Akkus an den Empfänger sein, wodurch sofort ein wesentlicher Teil der Platine beschädigt wird und ein Kurzschluss entsteht, der lange Zeit anhält und zu einer Entzündung führt. Der schwerwiegendste Schaden ist jedoch die physische Beschädigung des Batteriegehäuses. Es kommt zu einer sofortigen Energiefreisetzung und einer schnellen Entzündung, die von Rauch begleitet wird.

Kennzeichnung des Li-Po-Akkus

Jeder Li-Po-Akku wird durch mehrere Parameter genau beschrieben, die beim Kauf eines bestimmten Modells berücksichtigt werden sollten. Die Akkuparameter dienen als Möglichkeit, die Eignung eines bestimmten Akkus in unserem Fall leicht zu erkennen und sind in der Regel präzise und ihre Werte weichen nicht von den realen Werten ab. Die wichtigsten Batteriebezeichnungen sind sicherlich:

• Kapazität – der für die Robotik wichtigste Parameter, der in Milliamperestunden (mAh) oder bei größeren Modellen in Amperestunden (Ah) angegeben wird. Diese Information sagt uns direkt etwas über die Zeitspanne aus, in der wir Strom mit der richtigen Stromstärke aus einer vollständig geladenen Batterie entnehmen können.
• Die Anzahl der Zellen – dies ist einer der wichtigsten Parameter einer Lithium-Polymer-Batterie. In den meisten Fällen beschreiben die Hersteller die Anzahl der Zellen numerisch und verbinden sie mit dem Buchstaben S oder P. Der Buchstabe S steht für in Reihe geschaltete Zellen, während P für parallel geschaltete Zellen steht. Interessanterweise können viele Varianten diese beiden Typen kombinieren. So steht beispielsweise 2P für einen Akkupack mit zwei parallel geschalteten Zellen, während 4S für einen Akkupack mit vier in Reihe geschalteten Zellen steht. Ein Pack mit vier in Reihe und zwei parallel geschalteten Zellen wird als 4S2P bezeichnet.
• Ladestrom – dieser Parameter bestimmt in der Regel den maximalen Strom, der für eine bestimmte Batterie geladen werden kann, und wird in der Formel xC ausgedrückt, wobei x der Multiplikator ist. Auf diese Weise lässt sich der Ladestrom einfach und in Übereinstimmung mit unseren Annahmen berechnen.
• Mit dem Parameter Stromkapazität, der durch den Buchstaben C und die entsprechende Zahl in 5er-Schritten angegeben wird, kann der maximale Strom ermittelt werden, der der Batterie entnommen werden kann. Die Zahl vor dem Buchstaben C ist ein Multiplikator, wie beim obigen Parameter, der eine schnelle Berechnung der tatsächlichen Kapazität in Ampere ermöglicht. Die Hersteller geben auch Bereiche an, z. B. 35-45C, was bedeutet, dass die Batterie einen vorübergehenden Anstieg des Stroms bis zum Grenzwert von 45C verkraften kann.

Batteriespannung li-po

Der Stromwirkungsgrad von LiPo-Zellen ist sehr hoch (etwa doppelt so hoch wie bei niMH-Akkus), so dass ein hoher Wirkungsgrad bei relativ geringen Außenabmessungen erreicht wird. Die Zellen haben immer eine Nennspannung von 3,7V und arbeiten dann am effizientesten, d.h. am längsten. Der maximale Zellenwert liegt bei 4,2 V (darf unter keinen Umständen überschritten werden), der niedrigste bei 3 V. Wird dieser Wert unterschritten, verliert die Batterie ihre Parameter. Sie können jedoch mit einem speziellen Ladegerät, das die Batterie mit einem sehr niedrigen Strom auflädt, wiederhergestellt werden.

In der Robotik trifft man vor allem auf in Reihe geschaltete Zellen, seltener auf parallel geschaltete Zellen. Diese ermöglichen es, die Nennspannung in Abhängigkeit von der Anzahl der parallel geschalteten Zellen zu variieren. Bei einem 3S3P-Akku beispielsweise ergibt sich eine Nennspannung von etwa 11,1 V.

Ein großes Problem ist oft eine ungleichmäßige Spannung in einer Zelle, die als Ungleichgewicht bezeichnet wird. Es kommt sehr häufig vor, dass die Spannung einer Zelle sehr nahe an der gefährlichen 3-V-Grenze liegt. Wenn die Nennspannung einer Zelle unter diesen Wert fällt, wird die Batterie ausfallen und irgendwann einen Wert von 0 V erreichen. Eine einzige defekte Zelle kann den gesamten Akku, der aus mehreren einzelnen Zellen bestehen kann, funktionsunfähig machen. Derartige Vorfälle sind sehr häufig, weshalb spezielle Balancer eingesetzt werden, um das Risiko zu verringern.

Was ist ein Balancer?

Ein Balancer ist ein elektronisches Bauteil, mit dem die Spannung jeder Zelle einzeln überprüft werden kann. Ein Akkupack, der aus 2 oder mehr Zellen besteht, enthält 2 Stecker – einen, um die Spannung über dem Akkupack zu messen (in Reihe geschaltet) und den anderen, in Form eines Balancer-Steckers, um jede Zelle separat zu kontrollieren. Dieses Element ist in der Lage, den Akku vor ungleichmäßiger Spannung zu schützen. Normalerweise sind Balancer in allen auf dem Markt befindlichen Ladegeräten zu finden.

Wie sehen LiPo-Batterieladegeräte aus?

Batterieladegeräte für Li-Po-Batterien sind wesentlich komplexer als die für andere Batterietypen verwendeten Geräte. Sie laden nach der CC/CV-Methode, bei der die Spannung bei konstantem Ladestrom schnell auf einen Höchstwert ansteigt. Sobald die Spannung an jeder Zelle 4,2 V erreicht hat, wird der Ladestrom allmählich verringert. In der Regel werden die Ladegeräte mit einer Netzspannung von 230 V 50 Hz versorgt, so dass meist keine zusätzliche Stromversorgung erforderlich ist.

Es gibt auch mikroprozessorgesteuerte Ladegeräte auf dem Markt, bei denen ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors für die Steuerung des Stromflusses verantwortlich ist. Solche Ladegerätevarianten sind bei professionellen Robotern beliebt. Sie bieten zusätzliche Funktionen wie die Möglichkeit, den Strom und die Spannung zu wählen oder mit oder ohne Balancer zu laden. In der Regel ermöglicht diese Art von Ladegerät das Laden vieler Batterietypen, und es können mehrere Einstellungen gespeichert werden, um das Laden von Batterien verschiedener Typen zu beschleunigen. Mikroprozessorgesteuerte Ladegeräte überwachen den Zustand aller Zellen in Echtzeit und informieren gleichzeitig über die verbleibende Zeit bis zur vollständigen Aufladung. Auf diese Weise dienen sie auch als Schutz- und Sicherheitselement.

Memoryeffekt in Lithium-Polymer-Batterien

Viele Menschen fragen sich, ob Lithium-Polymer-Batterien vom Memory-Effekt betroffen sind. Dieser Effekt kann durch zwei Situationen ausgelöst werden, die ausschließlich vom Benutzer abhängen. Der Memory-Effekt kann auftreten, wenn der Akku nicht vollständig aufgeladen ist oder wenn man beginnt, einen Akku zu laden, der noch nicht vollständig entladen ist. Die Akkus beginnen dann, sich an diese Werte anzupassen und reduzieren ihre Reichweite, oft sogar erheblich. Dies gilt jedoch nur für Ni-Cd- und Ni-MH-Akkus. Lithium-Polymer-Versionen sind gegen diesen Effekt völlig immun.

Bis vor einigen Jahren glaubte jeder, dass Batterien “geformt” werden müssen, um ihre Kapazität zu fixieren. Die Batterie musste bis zum Ende entladen und dann wieder aufgeladen werden, bis sie voll geladen war, d. h. es musste ein buchstäblich voller Zyklus durchgeführt werden. Dieser Vorgang war nur bei Batterien sinnvoll, die für den Memory-Effekt anfällig sind, und muss daher weder bei Lithium-Ionen- noch bei Lithium-Polymer-Batterien durchgeführt werden.

Wie oft muss ich einen LiPo-Akku aufladen?

Viele Mythen haben sich auch um das Aufladen der Batterien selbst gebildet. Auch hier hält sich ein Irrglaube hartnäckig, der unnötigerweise von den Batterien mit Memory-Effekt übernommen wurde. Bei Lithium-Polymer-Batterien hat sich vieles geändert, unter anderem die Möglichkeit, die Batterie unabhängig von ihrem aktuellen Ladezustand wieder aufzuladen. Was bedeutet das? Dass der Li-Po-Akku buchstäblich jederzeit und völlig unbesorgt über seine Lebensdauer wieder aufgeladen werden kann. Es sollte jedoch bedacht werden, dass dieser Akku (wie jeder andere auch) negativ auf zu viel Wärmeentwicklung reagiert. Je länger der Ladevorgang dauert, desto schlechter für den Akku. Kurze Ladevorgänge sind daher viel besser als einer, der ein Vielfaches länger dauert. Es ist wichtig zu wissen, dass Lithium-Polymer-Batterien am besten im Ladebereich von 20-80 % funktionieren. Ein höherer oder niedrigerer Wert kann zu einer vorzeitigen Abnutzung des Akkus führen, einschließlich einer Veränderung der Nennspannung und der Kapazität.

Lagerung von Li-Po-Batterien

Große Probleme gibt es auch bei der Lagerung und Aufbewahrung von Lithium-Polymer-Batterien, denn nicht jeder weiß genau, wie man das macht. Die goldene Mitte liegt bei etwa 40 % Ladung. Eine Batterie, auch wenn sie nicht benutzt wird, verliert mit jedem Monat an Spannung, daher lohnt es sich, den aktuellen Zustand von Zeit zu Zeit zu überprüfen und die Batterie bei Bedarf aufzuladen. Große Aufmerksamkeit sollte auch der Umgebungstemperatur gewidmet werden. Akkus sind in diesem Bereich sehr anspruchsvoll und können ihre Eigenschaften verlieren, wenn sie zu hohen oder zu niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Am sichersten ist ein Li-Po-Akku in einem Bereich von 10-25 Grad Celsius. Nur so kann sichergestellt werden, dass sie unter den richtigen Bedingungen gelagert wird.

Lithium-Ionen-Akku – Aufbau

Eine Li-Po-Batterie ist eine elektrische Lithium-Ionen-Batterie, bei der eine Elektrode aus Kohlenstoff und die andere aus Metalloxiden hergestellt ist. Diese sind in eine elektrolytische Flüssigkeit eingetaucht, die Lithiumsalze enthält.

Wie funktioniert der Li-ion Akku ?

Hier gibt es zwei verschiedene Arten der Funktionsweise:

• Laden – Der Akku bezieht Strom
• Entladung (Arbeit) – Abgabe der gespeicherten Energie an das betreffende Gerät.

Aufladen von Lithium-Ionen-Batterien

Viele Menschen fragen sich, wie man Lithium-Ionen-Batterien auflädt – wir helfen ihnen dabei. Dies sollte häufig geschehen, da häufiges Aufladen die Lebensdauer des Akkus verlängert. Am besten ist es, den Akku zu laden, sobald er entladen ist. Wenn Sie jedoch wissen, dass Sie das Gerät längere Zeit nicht benutzen werden, kann es eine gute Idee sein, den Akku auf ca. 40% zu entladen. Eine Batterie sollte nicht völlig entladen gelagert werden, da sonst die Gefahr besteht, dass sie beschädigt wird. Eine Lithium-Ionen-Batterie sollte daher zum ersten Mal aufgeladen werden, sobald sie entladen ist, aber nicht warten, bis sie vollständig entladen ist.

Li-po vs li-ion – Vergleich

Li-Po-Batterien arbeiten auf der Grundlage der Li-Ionen-Technologie, bei der der Elektrolyt nicht flüssig, sondern in Form eines Polymers vorliegt. Dies wirkt sich positiv auf die Flexibilität von Li-Po-Batterien aus, die modifiziert, verkleinert und an das Design des jeweiligen Geräts angepasst werden können.

Li-Ionen-Batterien haben diese Flexibilität nicht und werden daher viel seltener eingesetzt und werden wahrscheinlich an Beliebtheit verlieren.