Aufbau und Funktionsprinzip der LiPo-Zelle
Eine Lithium-Polymer-Zelle (LiPo) besteht aus einer Anode (Graphit), einer Kathode (Lithiumoxid) und einem Polymer-Elektrolyten. Die Nennspannung einer einzelnen Zelle beträgt 3,7 V, die Spannung im vollgeladenen Zustand 4,2 V und die minimale sichere Entladespannung 3,0 V (in der Praxis sollte man unter Last allerdings nicht unter 3,3 bis 3,5 V gehen).
LiPo-Akkus verschalten Zellen in Reihe, gekennzeichnet durch das Symbol S. Ein 3S-Akku besteht aus drei in Reihe geschalteten Zellen mit 11,1 V nominal (12,6 V geladen). Ein 4S-Akku hat 14,8 V nominal (16,8 V geladen). Eine Parallelschaltung der Zellen (gekennzeichnet mit P) erhöht die Kapazität. So sind 3S2P sechs Zellen, drei in Reihe und zwei parallel.
C-Rate und Entladestrom
Die C-Rate gibt den maximalen Entladestrom im Verhältnis zur Kapazität des Akkus an. Hat ein Akku eine Kapazität von 2200 mAh und eine Nenn-C-Rate von 25C, beträgt der maximale Dauerentladestrom 2,2 A x 25 = 55 A.
Hersteller geben meist zwei Parameter an: die Dauer-C-Rate und die Burst-C-Rate. Dauer ist der Strom, den der Akku über längere Zeit ohne Überhitzung liefern kann. Burst (zum Beispiel 50C) ist der für kurze Impulse (einige Sekunden) zulässige Strom. Verwende beim Auslegen des Antriebssystems den Dauerwert.
Reale C-Raten werden von Herstellern oft zu hoch angegeben. Eine praktische Regel ist, anzunehmen, dass die tatsächliche Dauer-C-Rate 30% bis 50% unter der angegebenen liegt. Ein mit 30C beschrifteter Akku liefert in Wirklichkeit vielleicht sicher einen Strom, der 15C bis 20C entspricht. Anzeichen für eine Überlastung sind ein starker Spannungseinbruch unter Last und eine starke Erwärmung des Akkus.
Laden mit Balancer
Das Laden mit Balancer ist die einzige sichere Methode zum Laden mehrzelliger Akkus. Das Ladegerät überwacht die Spannung jeder Zelle einzeln und gleicht sie an, sodass alle Zellen am Ende der Ladung 4,2 V erreichen.
Ohne Balancing können die Zellen in der Spannung auseinanderdriften. Eine Zelle kann 4,3 V erreichen (gefährliche Überladung), während eine andere nur bei 4,1 V liegt. Das Überladen einer LiPo-Zelle über 4,25 V birgt das Risiko von Aufblähen, Elektrolytaustritt und Brand.
Der Standard-Ladestrom beträgt 1C (für einen 2200-mAh-Akku sind das 2,2 A). Schnellladen mit 2C ist bei Akkus zulässig, die vom Hersteller dafür freigegeben sind, verkürzt jedoch die Lebensdauer der Zellen. Überschreite niemals den vom Hersteller angegebenen maximalen Ladestrom.
Lagerspannung
LiPo-Akkus sollten weder vollgeladen (4,2 V pro Zelle) noch vollständig entladen (3,0 V pro Zelle) gelagert werden. Die optimale Lagerspannung liegt bei 3,80 bis 3,85 V pro Zelle, was etwa 40% bis 50% der Kapazität entspricht.
Die meisten modernen Ladegeräte haben einen Lagermodus, der den Akku automatisch auf die Lagerspannung lädt oder entlädt. Das Lagern eines vollgeladenen Akkus über längere Zeit (Wochen) beschleunigt die Zellalterung und erhöht das Risiko des Aufblähens.
Lagere die Akkus an einem trockenen, kühlen Ort (15 bis 25 Grad Celsius). Vermeide Temperaturen über 40 Grad (zum Beispiel im Auto im Sommer). Hohe Temperaturen beschleunigen die chemische Alterung der Zellen.
Brandschutz
LiPo-Zellen enthalten einen brennbaren Elektrolyten. Mechanische Beschädigung (Durchstich, Quetschung), Überladung, Tiefentladung oder ein Kurzschluss können ein thermisches Durchgehen auslösen, eine unkontrollierte thermische Reaktion, die in einem Brand endet.
Lade Akkus stets in einem feuerfesten LiPo-Beutel (LiPo-Safe-Beutel) oder auf einer nicht brennbaren Oberfläche (Keramik, Metall). Lade Akkus nie unbeaufsichtigt. Lade nie auf einem Teppich, einem Holztisch oder in der Nähe brennbarer Materialien.
Halte einen Pulver- oder Sandlöscher in Reichweite. Wasser ist bei LiPo-Bränden wirkungslos (und kann die Lage verschlimmern). Ein brennender LiPo-Akku setzt giftige Dämpfe frei, lüfte daher im Brandfall den Raum oder trage den brennenden Akku mit einer Metallzange nach draußen.
Anzeichen für einen beschädigten Akku
Ein aufgeblähter (geblähter) Akku ist ein Zeichen dafür, dass im Inneren der Zelle durch Zersetzung des Elektrolyten Gas entsteht. Ein aufgeblähter Akku darf nicht weiter verwendet oder geladen werden. Selbst leichtes Blähen ist ein Warnsignal.
Weitere Schadensymptome sind: ein starker Spannungseinbruch unter Last (Anstieg des Innenwiderstands), ungleiche Zellspannungen nach dem Laden (eine Differenz über 0,05 V trotz Balancieren), physische Schäden am Gehäuse (Dellen, Schnitte) und Wärmeentwicklung während der Lagerung.
Risiken des Parallelladens
Parallelladen bedeutet, mehrere Akkus gleichzeitig über ein an ein einzelnes Ladegerät angeschlossenes Parallel-Ladeboard zu laden. Das spart Zeit, birgt aber erhebliche Risiken.
Stelle vor dem Verbinden von Akkus zum Parallelladen sicher, dass alle Akkus die gleiche Zellenzahl (zum Beispiel alle 3S), eine ähnliche Kapazität und eine ähnliche Spannung haben (die Spannungsdifferenz zwischen den Akkus sollte 0,1 V pro Zelle nicht überschreiten). Das Anschließen eines Akkus mit deutlich abweichender Spannung verursacht einen großen Ausgleichsstrom zwischen den Akkus, was Überhitzung und Brand riskiert.
Parallelladen ersetzt das Balancieren nicht. Das Parallelboard sollte an jedem Anschluss Sicherungen haben. Wenn du im LiPo-Laden nicht erfahren bist, lade die Akkus einzeln. Das ist langsamer, aber viel sicherer.
Entsorgung gebrauchter Akkus
Verbrauchte LiPo-Akkus dürfen nicht in den Hausmüll geworfen werden. Sie enthalten Schwermetalle und brennbaren Elektrolyten. Entlade den Akku vor der Entsorgung auf eine sichere Spannung (unter 3,0 V pro Zelle) mithilfe der Entladefunktion des Ladegeräts oder einer 12-V-Autolampe.
Bringe entladene Akkus zu einer Sammelstelle für Batterierecycling. In Polen gibt es diese in Elektronikgeschäften, Baumärkten und kommunalen Wertstoffhöfen (PSZOK). Wirf LiPo-Akkus niemals ins Feuer, da Explosionsgefahr besteht.