Einsatzfenster Lipo

[BZFrank]

Damals nannte man es Elektrolyt, als Trägerflüssigkeit, heute sind wir eben etwas weiter ind er Leistungsfähigkeit und brauchen einen Namen, der den Effekt besser beschreibt - und man landet bei Separatoren. Die nichts anderes machen und keine andere Aufgabe heben, denn das was vor einem liegt ist nach wie vor nix anderes, nur in anderer Ausführung.

Äh Crizz, damals brauchte man keinen Separator weil die Zellen räumlich so gross waren das Anode von Kathode sauber getrennt war. Der Separator war der Raum dazwischen. Das ist auch heute noch so, denn ein Separator in Li-Ion Zellen ist ein passives Element. Es wäre im Prinzip egal ob man da Plastik, Kork oder Marmor verwendet, solange es a) nichtleitend für Elektronen ist, b) durchlässig für Ionen ist und es c) nicht mit dem Elektrolyten, Anode oder Kathode chemisch reagiert und innerhalb des Temperaturbereichs der Zelle stabil bliebt. Man braucht den Separator nur weil die Anode sonst direkt auf der Kathode aufliegen würde. Es wäre technisch kein Problem eine Li-Ion Zelle so gross zu bauen das man auf ihn verzichten könnte, nur wäre die Energiedichte und Leistungsfähigkeit dann gruselig schlecht und die würde keiner verwenden wollen.

Als deutsches Wort dafür würde ich 'Abstandshalter' verwenden.


Das Elektrolyt hingegen... ich verweise mal auf die Wikipediadefiniton:

Als Elektrolyt (von gr. ἤλεκτρον elektron, „Bernstein“ i. ü. S. „elektrisch“ und λυτικός lytikós, „auflösbar“) bezeichnet man eine chemische Verbindung, die im festen, flüssigen oder gelösten Zustand in Ionen dissoziiert ist und die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet bewegt. Oft wird mit Elektrolyt auch das feste oder flüssige Material bezeichnet, das die beweglichen Ionen enthält.

Insofern ist die Aussage (wie ich dich verstanden habe) Elektrolyt sei gleich Separator inkorrekt. Das wäre wie beim Schwimmbad das Becken mit dem Wasser gleichzusetzen.

Gruß

Frank

 

[Crizz]

Okay Frank, da hast du in sofern recht das es technisch irreführend ist das gleichzusetzen, es sollte ein etwas einfacher zu verstehender Vergleich sein der da nicht wirklich gut paßt.

@Erdie : sorry wegen der Sprüche und meiner Ausdrucksweise, das war einfach "dahingeplappert", sollte nicht beleidigend verstanden werden. Falls es so rübergekommen sein sollte entschuldige ich mich dafür, wollte dich damit nicht als angreifen.

 

[KD-Modelltechnik]

Hm, ich denke Crizz hat lediglich ein bisschen ums Eck gedacht und wurde deshalb falsch verstanden, denn der Separator dient ja (im Fall eines Lipos) "eigentlich" nicht nur der räumlichen Trennung von Anode zu Kathode, sondern stellt ja auch ne Art "Schwamm" für's Elektrolyt dar (wenn man nen Lipo zerlegt merkt man recht schnell, dass da kein Elektrolyt "raustropft" sondern nur in geringen Mengen enthalten ist). Und ohne Elektrolyt kein Ion/Elektronen-austausch, ohne Separator keine Spannung. Also im Grunde hat jeder für sich gesehen Recht.

EDIT: Crizz war schneller ...jetzt hab ICH scheinbar ein bisschen zu sehr um's Eck gedacht

Gruß Dieter

 

[Erdie]

Und ich habe meine Frage gestellt, obwohl ich schon halbwegs eine Antwort im Kopf hatte. Mich interessierte nur zusätzlich, was andere dazu sagen und ob sich das mit meinen Vorstellungen deckt. Vielleicht sollte ich das nicht tun weil es nervt. @Criss: Sorry dafür, ich werde demnächst etwas mehr überlegen ob das wirklich nötig ist. Wir sollten dringend mal ein Bier trinken.

 

[Gerd Giese]

... nur mal so und wenn es hier auch um das Thema geht: Einsatzfenster LiPo ...

Mmmmh Elektrolyt, vielleicht assoziieren einige das hier heraus:
>>... Elektrolyt auch das feste oder flüssige Material bezeichnet, das die beweglichen Ionen enthält. ...<<
=> Aluminium-Elektrolytkondensatoren wurden schon kurz vor dem 1900 Jahrhundert genutzt!
Das Prinzip eines "trennenden Elektrolyten", zwischen dem Plus- und Minusgeladenem Pol, ist schon
relativ alt! Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolytkondensator
Anders beim Lithuim-Akku, hier ist der "Separator" ein passives Element.

Bitte zurück zum: Einsatzfenster ... zum Aufbau/Wirkungsweise ist ein eigener Thread angebracht!

 

[KD-Modelltechnik]

@BZFrank ...wenn man die chemischen (Zerfalls)Vorgänge so fix an der Untergrenze von 2,7V festmachen kann, frag ich mich letztlich, ob die "80%-Regel" überhaupt Sinn macht?! Selbst bei 95%-Entladung (und 5% Kapazitätsstreuung in einem Mehrzellenpack sehe ich schon eher als Ausnahmefall) bleibt man ja eher im Bereich von 3,5V ....klaro, immer abhängig von der Entladerate, aber durchaus praktikabel einzuhalten bei entsprechender Unterspannungseinstellung des Reglers (z.B. 3,5V/Zelle mit Leistungsrücknahme bei Erreichen selbiger).
Macht es, chemisch auf die Zellalterung gesehen, einen Unterschied, ob man nun 85 Ladevergänge bei Nutzung von 95% der Akkukapazität oder 100 Ladevorgänge bei 80% Akkukapazitätsnutzung benötigt?

Man möge mir meine Frage verzeihen, die man evtl. als Themenabweichend betrachten könnte ...ich sehe dies dennoch als themenrelevant.

Gruß Dieter

 

[Gerd Giese]

... genau darüber habe ich mit Frank per eMail diskutiert, eben wegen dieser Brisanz und damit nichts fehlt interpretiert wird!
Das grüne Spannungsfeld ist irreführend ohne weiter führende Erklärungstexte, wo das WENN & ABER sich versteckt!

Ich habe darauf eine anschauliche Grafik mit Erklärungen erhalten. Die unterstreicht zu 100% meine Praxiswerte, eine
Zellenspannung nie unter Last tiefer als 3,3V/Z fallen zu lassen (im geladenen Zustand). Ich war überrascht wie exakt
meine Erfahrungswerte mit den (mir nicht bekannten) Laborwerten überein stimmen.

Ich denke, Frank wird das hier noch rein stellen ...

 

[BZFrank]

Hier kommt es auch schon,



(Quelle: Report 'Electrochemical Li-ion Battery Temperature Trends' von http://criepi.denken.or.jp/en/ )

Erklärung: Dieses Diagramm zeigt für eine typische LiCoO2/LiPF6/C-Zelle das Verhalten von Spannung und Wärmeentwicklung über die Zeit bei Ladung und Entladung. Im linken Bereich während der Ladung, im rechten während der Entladung. Der Zeitraum wurde so gross gewählt und die Ströme so klein das Widerstandseffekte für den Versuch minimiert wurden. Man erkennt hier nahezu 100% nur die "interne Wärme" durch die Reaktionen der Zellchemie.

Man beachte den steilen Anstieg während der Entladungsphase im Bereich wenn die Zelle unter 3.3V fällt. (B) Diese führt zusammen mit der Erwärmung über den Innenwiderstand durch hohe Ströme bei der Entladung zu diesem Zeitpunkt zu einer starken Wärmeentwicklung in der Zelle.

Diese Wärme wird direkt in der Zelle freigesetzt und kann - sofern nicht rechtzeitig abgeführt - durch den höheren Gasdruck des organischen Lösemittels des Elektrolyten bei Polymerakkus zu Schwellungen führen. Im Gegensatz zu der Erwärmung bei Entladung durch ohmschen Widerstand tritt die Wärmentwicklung hier ausschliesslich intern auf (nicht an den Ableitern). Allerdings wie dieser auch je schneller man die Zelle entläd (je höher der Strom), desto höher.

Daher ist der Bereich bei der Entladung um 3.3V und tiefer "schwellungsgefärdet". Es handelt sich dabei grossteils um reversible Schwellungen, d.h. sie gehen später wieder zurück - der 'Peak' erklärt jedoch warum das bevorzugt bei tiefer Entladung auftritt.

Gruß

Frank

 

[Ron Dep]

@BZFrank ...wenn man die chemischen (Zerfalls)Vorgänge so fix an der Untergrenze von 2,7V festmachen kann

Kann man nicht, denn Akkus blähen schon bei wesentlich höherer Spannung bei starker Belastung. Die 80%-Regel ist natürlich ein Kompromiss für Hinz und Kunz und kann nicht für jeden User gelten.

 

[KD-Modelltechnik]

Danke @Frank für das sehr interessante Diagramm! Schlussfolgernd könnte man damit auch annehmen, dass durch die "Verdampfung" des Elektrolyts der Innenwiderstand der Zelle steigt und somit die Erwärmung exponentiell zunimmt, was folglich zu noch höherer Verdampfung führt und sich quasi aufschaukelt.

Lass mich dennoch nochmal meine Frage aufgreifen:

Macht es, chemisch auf die Zellalterung gesehen, einen Unterschied, ob man nun 85 Ladevergänge bei Nutzung von 95% der Akkukapazität oder 100 Ladevorgänge bei 80% Akkukapazitätsnutzung benötigt?

...unter Berücksichtung der (wie schon geschrieben) Einhaltung der Spannungsuntergrenze von 3,5V/Zelle.


@RonDep ...mir ging es im speziellen um die (lass es mich genauer ausdrücken) chemische Alterung, nicht um reversible Effekte!

Gruß Dieter

 

[Crizz]

Sehr interessante Sache, danke Frank !

Da das Diagramm bei Niedrigst-Last aufgenommen ist würde mich noch interessieren ob es ein ähnliches Diagramm mit höherer Belastung gibt. Hintergrund : mich interessiert wie sich das Wärmeverhalten im Bereich ab ca. 3,5V in der Entladung mit höheren Strömen verhält. Bei dem obigen verhält sich die Temperaturentwicklung ab ca. diesem Punkt (3,50...3,40V) exponentiell. Ich könnte mir vorstellen das dies bei höheren Belastungen ebenso vorhanden ist, wenn auch in flacher verlaufender Form.

 

[BZFrank]

Hallo Crizz,

in diesem Report gab es leider nur Messungen mit kleinen Strömen, Ziel ist in solchen Fälle ja Nebeneffekte zu minimieren. Ich schaue mal ob ich etwas in anderen dazu finde.

Ich denke aber auch das es sich so verhalten wird - und kommt bei höheren Strömen noch der Effekt durch die Aufwärmung des ohmschen Widerstands hinzu. Auch hängt die Wärmeentwicklung und vor allem Ableitung derselben auch von der Bauform, Masse des Akkus und Wärmeleitfähigkeit ab.

Dieter:

Macht es, chemisch auf die Zellalterung gesehen, einen Unterschied, ob man nun 85 Ladevergänge bei Nutzung von 95% der Akkukapazität oder 100 Ladevorgänge bei 80% Akkukapazitätsnutzung benötigt?

Im Prinzip ja, Depth-Of-Discharge (DOD) ist einer der Hauptfaktoren für Zellalterung. Zusammen mit dem obigen Effekt dürfte sich insbesondere bei hohen (nahe 100%) DOD eine beschleunigte Alterung zeigen. 80% ist in jedem Fall besser, da man sich damit aus dem kritischen Bereich heraushält.

Gruß

Frank

 

[Ron Dep]

Macht es, chemisch auf die Zellalterung gesehen, einen Unterschied, ob man nun 85 Ladevergänge bei Nutzung von 95% der Akkukapazität oder 100 Ladevorgänge bei 80% Akkukapazitätsnutzung benötigt?

Mehr schonende Zyklen (also z.B. nicht voll laden) sind deutlich besser als die fast volle Ausnutzung der Akkukapazität!

 

[Crizz]

Das mit der Zyklenfestigkeit deckt sich mit dem, was der gute Herr Enerland von Polyquest bereits 2008 zu den XF-Lipos sagte ( waren die ersten 40c Zellen wenn ich mich recht erinnere). Er sagte dazu "Bei Betrieb unserer Zelle am Rand der Spezifikationen beträgt die Lebensdauer 50 Ladezyklen". Das trifft es auch heute noch , entlädt man die Dinger schön regelmäßig zu annähernd 100% und das mti voller Leistung knackt man jeden Lipo innerhalb dieses Zeitrahmens. Je mehr "Luft" man einräumt, also je mehr Abstand zu den Limits, umso größer ist die Zyklenfestigkeit - das dürften auch viele aus eigener Erfahrung wissen.

Und bzgl. meiner Frage : es würde sich zumindest mit meinen bisherigen Beobachtungen decken, das sich AKkus ab ca. 80% Entladetiefe deutlich stärker erwärmen, wenn man berücksichtigt das bis zu dem Zeitpunkt die Erwärmung auf über 3/4 der Entladedauer erfolgte und dann eine relativ hohe Temperaturerhöhung in einem kleinen Zeitfenster erfolgt.

 

[Gerd Giese]

"Enerland von Polyquest" hatten sogar einen großen Flyer darüber zur Aufklärung (und Anzeige - muss auch hier im Forum sein) darüber in den Fachzeitschriften!
Habs gefunden (waren die XQ-30C): http://www.rc-network.de/forum/show...rchenstunde...?p=919837&viewfull=1#post919837

(...) Und bzgl. meiner Frage : es würde sich zumindest mit meinen bisherigen Beobachtungen decken, das sich AKkus ab ca. 80% Entladetiefe deutlich stärker erwärmen, wenn man berücksichtigt das bis zu dem Zeitpunkt die Erwärmung auf über 3/4 der Entladedauer erfolgte und dann eine relativ hohe Temperaturerhöhung in einem kleinen Zeitfenster erfolgt.

Es muss so sein, eben deshalb, weil der DC-Ri ab 80% DoD ebenso beschleunigt ansteigt! Die Erwärmung ist eine
unmittelbare Folge des stark steigenden Innenwiderstandes. Das ist mit ein Grund, weil ich seit Jahren das als
Grenzwert propagiere... was letztendlich der letzte Entladeimpuls im Lastdiagramm widerspiegeln (Lastgrenze) soll.
Der ist immer bei 80% DoD.

 

[KD-Modelltechnik]

Bei Hochstromanwendungen seh ich die 80%-Regel ja durchaus als praktikabel, da bei entsprechend hohem Strombedarf der Flugspaß ab dieser Entladetiefe ohnehin dahin ist ...daran wolllte ich auch gar nicht zweifeln. Aber wo setzt man die Grenzen im Bezug auf Entladerate im Verhältnis zu Entladetiefe?

Nicht jeder zuzelt seinen Akku (überspitzt gesagt) mit grad mal 3min Motorlaufzeit leer Bestes Beispiel: Speiseakku für'n Lader.

Ich dacht halt, ich hinterfrag mal, da erst die 2,7V als Untergrenze VOR chemischen Zerfallsvorgängen im Raum standen, dann die 3,3V die zu überhöhter Innenerwärmung führt.
Mein Verstand sagt mir (im Bezug auf Anwendungen im Bereich von um 1C Entladerate) dass durchaus volle (bzw. mindestens 95%) Kapazität genutzt werden kann, sofern die Spannung im Bereich über 3,5V pro Zelle liegt, da hier (je nach Zellentyp) auch keine merkliche Erwärmung eintritt.
Um ein Praxisbeispiel zu nennen: im Bereich von 1 bis 2C kann ich mit meinem Schlepper noch sehr gut umherschweben, um Seglerpiloten, die sich im Anflug befinden eine stressfreie Landung zu ermöglichen.

Gruß Dieter

 

[Crizz]

Dieter, ich persönlich sehe aufgrund der bisherigen Messergebnisse "am Tisch" wie folgt :

je höher die Belastung, desto niedriger die Spannungslage - ist uns allen klar. Ebenso, das mit steigender DoD auch der Gleichlauf der Zellen auseinanderläuft - der Gap wächst bei einigen Exemplaren in den letzten 20% der Kapazität teils gewaltig an, bis zu 0,2 V in einem 6s Pack sind da durchaus zu beobachten.

Kommen nun beide Faktoren zusammen - tiefe Entladung und hoher Laststrom - kann man bei 80% Entladetiefe bereits an kritische Bereiche kommen. Da komtm auch der Faktor thermische Belastung mit hinzu. Aber den mal unbeachtet, kann da also schnell mal ne Einzelzelle deutlich unter 3 V gedrückt werden. Ich denke da besonders an die Hayin 65c-Akkus, bei denen teils bei 70% DoD einem schon die Schweißperlen auf der Stirn stehen weil eine oderer mehrere Zellen extrem "abstürzen". Und das nicht erst bei so hohen Strömen, teils schon bei 20c.

Wenn also sichergestellt ist, das die Zellen unter bestimmten Bedingungen noch einen ausreichenden Gleichlauf haben, ist eine Entladung bis auf 3,2.... 3,0 V nicht gleich der Tod der Zellen - aber es ist trotzdem Betrieb am Rand der Specs, und somit nicht unbedingt förderlich, was die Zyklenfestigkeit betrifft. Das sollte man sich einfach im Blick behalten. Und wenn du z.b. Einzelzellen- Telemetrie einsetzt und sicherstellen kannst, das die Antriebszellen nicht dauerhaft unter 3,2 V abstürzen, sondern mit Lastrücknahme auch wieder sich erholen, dann kann auch praktikabel sein.

Ich scheue mich nur vor Verallgemeinerungen, denn wir alle wissen auch eines :

Auch unerfahrene Piloten lesen hier mit, praktizieren, was diskutiert wird - und vergessen, das sie evtl. ganz andere Reserven benötigen, um ihren Vogel je nach Situation noch sicher auf den Boden zu kriegen. Deshalb bin ich mit meinen Äußerungen auch diesbezüglich etwas vorsichtig und weise extra nochmals auf die eigentlich bekannten Punkte und Zusammenhänge hin, denn das ist dann ein Betriebsbereich der nur von Piloten betreten werden sollte, die genau wissen, was sie tun. Und die entsprechende Überwachungsmethodik einsetzen.

 

[Gerd Giese]

(...)
Mein Verstand sagt mir (im Bezug auf Anwendungen im Bereich von um 1C Entladerate) dass durchaus volle (bzw. mindestens 95%) Kapazität genutzt werden kann,
sofern die Spannung im Bereich über 3,5V pro Zelle liegt, da hier (je nach Zellentyp) auch keine merkliche Erwärmung eintritt.

... man kann es auch skizzieren und dann zeigt sich die optimale Nutzung so [X = C_Rate / Y = V/Z]:

Umin nicht tiefer als 3,5V bei <1C und nicht tiefer als 3,2V/Z bei >10C (ich empfehle 3,3V/Z).
Impulsbelastungen dürfen abweichen abhängig von der Dauer und Häufigkeit (je kürzer desto Verzeihlicher).

 

[KD-Modelltechnik]

Ich scheue mich nur vor Verallgemeinerungen, denn wir alle wissen auch eines :

Auch unerfahrene Piloten lesen hier mit, praktizieren, was diskutiert wird - und vergessen, das sie evtl. ganz andere Reserven benötigen, um ihren Vogel je nach Situation noch sicher auf den Boden zu kriegen. Deshalb bin ich mit meinen Äußerungen auch diesbezüglich etwas vorsichtig und weise extra nochmals auf die eigentlich bekannten Punkte und Zusammenhänge hin, denn das ist dann ein Betriebsbereich der nur von Piloten betreten werden sollte, die genau wissen, was sie tun. Und die entsprechende Überwachungsmethodik einsetzen.

Hm, so gesehen ....muss ich dir zu 100% zustimmen. Entweder nehm ich das derzeit nur persönlich verstärkt wahr, dass "da draußen" sich viele so gar nicht mit der Unterspannungsabschaltung beschäftigen (früher haben wir Klimmzüge unternommen, heutzutage sind die meisten Steller sehr komfortabel zu programmieren, aber einige machen davon schlichtweg keinen Gebrauch ) so dass man solch tiefgehende Diskussionen offensichtlich besser im Verborgenen führt Andererseits hab ich Hoffnung, dass es den einen oder anderen sensibilisiert.

@Gerd ...ja, mit solch einem Diagramm kann ich mich gut anfreunden. Für diejenigen, die solch ein Diagramm lesen können, sollte sich das eine oder andere Auge öffnen
Im Grunde tut man also gut daran, je nach Modellabstimmung die Abregelspannung (mit Leistungsrücknahme) des Stellers auf Werte um 3,6V pro Zelle einzustellen ...natürlich nur praktikabel für Abstimmungen um die max. 15 bis 20C (Zelltypabhängig). Die Hochstromfraktion bleibt besser bei der 80%-Regel.

Resümierend bleibt festzustellen ...die magischen 2,7V gelten also in einer idealen Welt, in der sich der Akku bei Entladung nicht erwärmt. Franks Diagramm im Startbeitrag müsste man also mit Temperatur- und C-Rate- Variablen hinterlegen und ein Excel-Sheet draus basteln. Freiwillige vor!

Gruß Dieter

 

[KD-Modelltechnik]

P.S. danke für die aufschlussreiche Diskussion, die meinen Horizont doch drastisch erweitert hat. Den einen oder anderen Akku werd ich nun doch etwas sanfter behandeln

Gruß Dieter