Литий-ион своими руками
То, что будет рассказано в данной статье, поможет многим разобраться с питанием самодельных устройств автономного типа. В ней приведена методика, по указаниям которой можно получить литий-ионные аккумуляторы любых размеров. Из учебников физики нам известно, что простым аккумулятором является устройство, состоящее из медно-цинковых пластин, между которыми присутствует электролитический раствор. Такое устройство было создано Вольтом, (хотя вопрос спорный, Луиджи Гальвани открыл эффект первым, только не смог дать этому явлению логическое объяснение).
С тех пор прошло более 200 лет, сейчас мы живем в век цифровых технологий, но аккумулятор по-прежнему остается незаменимым источником энергии, без которого не может работать не одно автономное устройство. Современные литиевые аккумуляторы нашли широкое применение в современной технике, причин на то много — легкий вес, долгий срок службы, большая емкость и многие другие параметры делают аккумуляторы незаменимыми в портативных устройствах.
Но со временем и литий-ионный аккумулятор приходит в негодность. На днях тоже самое случилось и с аккумулятором моего телефона. Аккумулятор от лицензионного производителя, поэтому прослужил очень долго и мог бы еще послужить верой и правдой, еслиб не моя дурная идея его проколоть. Дело в том, что со временем аккумулятор распух, но продолжал работать на ура, вот и было решено его проколоть. После небольшой операции аккумулятор уже стал не тем, что был раньше, резкое снижение емкости всего за неделю.
Ему на смену пришел другой аккумулятор, а тот выбросить жалко (и не нужно, вред экологии!), так что же делать с ним? Было решено создать новый аккумулятор на базе старого. Перед работой хочу предупредить — некоторые соединения лития токсичны, поэтому желательно использовать перчатки, а работу делать на свежем воздухе. Ну я как всегда нарушаю все правила по безопасности, без всяких перчаток аккумулятор был разобран прямо в гостиной комнате. Как всегда — своеобразный запах литиевых источников питания, ни с чем не спутаешь. Для резки алюминиевого корпуса был использован обычный монтажный нож и плоскогубцы.
Спустя пару минут алюминиевый капсоль был удален, пора идти дальше.
Тут начинается самая грязная работа, нужно разобрать аккумулятор. Литиевые элементы питания, как и любой другой источник напряжения, состоит из положительно и отрицательно заряженных пластин, между ними проложен слой изоляции. Теперь берем пасту от гелиевой ручки и как бы ‘наматываем» на пасту.
Нужно соблюдать предельную осторожность, чтобы не закоротить пластины. В процессе наматывания пластин, можно наблюдать тепловыделение, не пугайтесь так и должно быть. Далее следует обмотать заготовку скотчем, но заранее нужно очистить пластины.
На очищенные места припаиваем провода контактов. Можно просто взять два медных провода (многожильных) и просто приклеиваем к контактам при помощи того же скотча.
Далее нужно решать вопрос корпуса аккумулятора, в моем случае использована металлическая гильза от карманного фонарика, именно туда был помещен аккумулятор.
Один из контактов был припаян к корпусу, другой выведен наружу. Корпус следует загерметизировать, для этого я использовал универсальный клей «момент». Сразу после создания такого аккумулятора измеряем напряжение, оно лежит в пределах 2,2-2,8 вольт, в корпусе уже 2,8-3,3 вольт. На следующее утро напряжение уже в районе 3,6-3,65 вольт.
Литиевые элементы питания боятся минусовых температур, при температурах ниже нуле литий-ионный аккумулятор не заряжается вообще.
Если хранить аккумулятор в холодильнике в полностью заряженном состоянии, то вы этим увеличиваете его срок службы, но при температурах выше нуля!
Такой самодельный литий-ионный аккумулятор может еще долго прослужить в самодельных радиоэлектронных игрушках. При КЗ ток аккумулятора достигает до 3-х Ампер. Таким образом, разобрав один литий-ионный аккумулятор от мобильного телефона, можно собрать из него несколько более компактных аккумуляторов, которых так не хватает в нашей практике.
Теги:
АКА КАСЯН Опубликована: 17.12.2012 0 0
Вознаградить Я собрал 0 2
Оценить статью
- Техническая грамотность
7 шагов по сборке самого безопасного литий-ионного аккумулятора своими руками
Собрать из Li-ion аккумуляторов исправно работающую батарею – вполне выполнимая миссия. Причем изготовить литиевую АКБ можно своими руками, в домашних условиях и под любые задачи – хоть для питания портативного шуруповерта, хоть для получения переносной электростанции. Для этого нужно выполнить всего 7 шагов, описанию которых и посвящена данная статья.
Шаг 1 – выбор аккумуляторов
От назначения АКБ напрямую зависит, какие элементы питания нам понадобятся. Литиевые аккумуляторы бывают разных подвидов:
- Высокотоковые модели с типом химии IMR – благодаря содержанию марганца они легко выдерживают токовые нагрузки до 10С, а в импульсном режиме и до 40С. Это отличная начинка для АКБ, используемых в персональном электротранспорте, медтехнике и портативном электроинструменте.
- «Запасливые » аккумуляторы категории ICR – содержание кобальта обеспечивает им максимальную удельную емкость. Для интенсивной токоотдачи такие накопители энергии не подходят, зато они востребованы в экономичных электронных устройствах.
- «Универсалы » с типом химии INR или NMC – формула с никелем, марганцем и кобальтом обеспечивает им баланс между солидным запасом емкости и интенсивной токоотдачей.
- Емкие модели подвида NCR или NCA – формула с никелем, кобальтом и оксидом алюминия обеспечивает им уклон в сторону увеличенной емкости. Такие накопители подходят для устройств с небольшим потреблением энергии – в пределах 1С. Например, аккумулятор емкостью 3000 мА·ч может обеспечивать токоотдачу до 3 А.
В таблице приведены примеры Li-ion аккумуляторов форм-фактора 18650 и их характеристики:
Модель
Запас емкости, мА·ч
Допустимые нагрузки по току, А
SONY VTC6
EVE INR18650 25P
BAK N18650CNP
Samsung 25R
LG HE4
LG MH1
Panasonic 18650BD
Panasonic 18650PF
Samsung 30Q
Samsung 33G
Macroson
Zhihang
Шаг 2 – выбор схемы соединения
Принцип соединения литиевых аккумуляторов универсален и подходит для сборки батарей любых размеров. Вначале выполняется параллельное соединение элементов в секции, а затем эти секции соединяются последовательно. При параллельном наборе «банок » суммируется их емкость и возрастает максимальная токоотдача, а при последовательном соединении образованных серий набирается необходимый вольтаж.
В результате из литий-ионных элементов с напряжением 3,6 или 3,7 В можно собрать АКБ на 12, 24, 36, 48, 60 В и т.д. Аналогично можно нарастить и емкость. Например, берем «банки » форм-фактора 18650 емкостью 2500 мА·ч и соединяем их по схеме 10S2P: последовательно соединяем 10 секций, в каждой из которых – пара параллельно соединенных элементов. В итоге получаем сборку на 36 В с запасом емкости 5000 мА·ч.
В целом при выборе схемы учитываются:
- необходимый вольтаж АКБ – от него зависит, сколько будет последовательных соединений (обозначается числом возле S);
- желаемый запас емкости – определяется количеством параллельно соединенных «банок » в каждой секции (обозначается числом возле Р);
- мощность батареи в ватт-часах – рассчитывается умножением ее номинального напряжения в вольтах на емкость в ампер-часах;
- допустимые размеры и масса АКБ – например, для установки на электровелосипед или электросамокат нужна литий-ионная батарея со сбалансированным соотношением емкости и компактности.
Шаг 3 – тестирование и сортировка аккумуляторов
Для соединения в батарею нужны литиевые аккумуляторы, одинаковые по внутреннему сопротивлению и емкости. Желательно использовать элементы не только одного бренда и модели, но и одной серии. Тогда все они будут работать на равных, и вам не придется ремонтировать или менять батарею из-за того, что какая-то ячейка не справляется со своими задачами и делает неработоспособной всю АКБ.
Количество необходимых «банок » зависит от схемы сборки. Чтобы рассчитать его, просто умножаем указанные в схеме числа. Например, для изготовления литий-ионной батареи 4S3P необходимо 12 элементов. Это должны быть незащищенные аккумуляторы – без собственных плат защиты. Для отслеживания рабочих параметров у них будет общая БМС плата.
Шаг 4 – комплектовка
Собираем АКБ по подходящей для конкретного случая схеме (условно – xSyP), используя отсортированные ранее «банки ». Набираем х секций, в каждой из которых будет y параллельно соединенных элементов. Затем эти секции соединяем последовательно. Это универсальный алгоритм, как собрать АКБ из литий-ионных аккумуляторов. Параллельно продумываем, как нам лучше расположить «банки », чтобы рационально использовать пространство корпуса.
Шаг 5 – соединение элементов
Собирать литиевые аккумуляторы можно по-разному: с помощью неодимовых магнитов, соединительных пластин и болтов, пайки или точечной сварки. Последний вариант наиболее универсален и практичен. Нужно только нарезать полосы никелевой ленты, правильно наложить их на контакты и приварить, используя аппарат контактной сварки. В результате получаем надежное соединение без риска перегрева.
В домашних условиях вместо точечной сварки обычно используют паяльник на 80–100 Вт и активный флюс ЛТИ-120. Его аккуратно наносят кисточкой или ватной палочкой на предварительно зашкуренные контакты. Лужение выполняют кратковременно, 2–3 секунды, чтобы не допустить перегрева. Провода вначале нагревают жалом паяльника, а потом быстро припаивают. Излишки флюса удаляют растворителем.
Проще всего собрать литиевую АКБ из элементов питания LiFePO4 с предусмотренным монтажным крепежом. Таким аккумуляторам не нужна ни пайка, ни сварка. У них предусмотрены резьбовые клеммы и крепежные болты. Для соединения используются переходные пластины, которые быстро и надежно фиксируются болтами.
К тому же, литий-железо-фосфатные АКБ – самые безопасные из литиевых батарей. Они морозоустойчивы, имеют ресурс более 2000 циклов заряд-разряд и обеспечивают стабильно высокую токоотдачу. Но напряжение у них ниже, чем у остальных литий-ионных элементов, и составляет 3,2 вольта.
Шаг 6 – присоединение силовых проводов и BMS
Для подключения зарядного устройства и нагрузки АКБ нужны силиконовые AWG провода с разъемами ХТ60. Для отслеживания параметров работы и их поддержания в безопасном диапазоне батарея дополняется BMS платой. Это она отключает АКБ от нагрузки или зарядки, когда напряжение достигает граничного значения. Конечно, функционал БМС контроллера этим не ограничивается и включает дополнительные возможности.
Шаг 7 – проверка и упаковка
Готовую батарею нужно зарядить и проверить, как она работает под нагрузкой. Если все сделали правильно, температура в норме и никаких переделок не требуется, упаковываем и герметизируем полученную сборку, используя широкую термоусадочную трубку.
Ранее мы опубликовали в блоге VirtusTec.ru статью об автономных передвижных источниках питания.
Как собрать литий-ионный аккумулятор? Пошаговый процесс.
Все течет и меняется, а аккумуляторы только деградируют от времени. Поэтому давайте разберём, как собрать литий-ионный аккумулятор своими руками.
Ставим полностью заряженный старый аккумулятор первоначальной емкостью 10Ач (360Втч) на нагрузочный тест и видим довольно необычный график:
На тесте получили всего 2,7Ач (81Втч) запасенной энергии, или 22,5% от первоначальной емкости. Пробег на такой батарее не превышал 6 км. Средняя температура при разряде около 50 градусов, а температура одной секции поднялась выше 70 °C.
Решение очевидно — собираем новую батарею на 20Ач в старый алюминиевый корпус на багажник. Да-да емкость именно в 2 разе больше при одинаковом вольтаже, получится разместить за счет: 1) более полного использования внутреннего пространства корпуса; 2) за счет более высокой плотности энергии в элементах 21700, даже при том, что собирать будем не на самых емких из них — Lishen 21700, 4000Мач.
Процесс сборки литиевой аккумуляторной батареи
СОРТИРОВКА ЭЛЕМЕНТОВ. Берем элементы из одной партии, и сортируем высокоточным омметром по сопротивлению. Заодно проверяем вольтаж каждого элемента. У нас будет конфигурация 10s5p, то есть 10 ячеек последовательно в каждой серии, и 5 таких серий параллельно. Нам необходимо, чтобы в каждая секция из 5 ячеек имела одинаковое сопротивление, поэтому в каждой секции должны быть ячейки с одинаковым сопротивлением. Мы отобрали из одной партии 10 элементов с внутренним сопротивлением 14,5мОм, 30 элементов с 15мОм и 10 элементов 15,5мОм. Тогда каждая секция состоит из элементов 14,5–15-15–15-15,5 мОм.
Форма аккумулятора задана внутренними размерами корпуса: длина 300мм, высота 55мм, ширина 145мм. Здесь будет 10 секций по 5 элементов (3+2) собранных в один длинный ряд и согнутый пополам. При очень ограниченном пространстве и для придания жесткости данной конфигурации, сборка секций производится на термоклей. Между секциями обязательно проклеиваем электрокартон.
ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА. Сначала варим “киноленту” и затем усиливаем ее сверху никелированной полосой. Измеряем напряжение каждой секции, оно должно быть одинаковое.
РАСПАЙКА BMS . После сварки распаиваем BMS плату с балансировкой, зарядные и разрядные провода.
ИЗОЛЯЦИЯ БАТАРЕИ. Особое внимание следует уделить изоляции торцов ячеек, где наварена лента, особенно тех, которые после сложения батареи будут прилегать друг к другу. Делаем это с помощью каптонового скотча и клейкого электротехнического картона.
ТЕСТИРОВАНИЕ БАТАРЕИ НА НАГРУЗОЧНОМ СТЕНДЕ. После сборки батареи, до ее упаковки в корпус необходимо провести полную зарядку и поставить на нагрузочный стенд. Нагружать будем током 10А, это ток 0,5С для данной батареи. Разряжать будем до отсечки BMS, одновременно контролируя ее срабатывание. На всякий случай ставим параметр остановки теста при достижении вольтажа 2,7В на одну ячейку.
В результате тестирования аккумулятор отдал 19,87Ач (722Втч). Вольтаж отсечки BMS — 29,4В (2,94В на один элемент). Это даже превышает номинал (36В×20Ач=720Втч), даже с учетом того, что номинал указывается при более низком токе разрядка (обычно 0,2С) , и при более низком вольтаже окончания разряда (2,5 — 2,7В).
Как самому собрать литий-ионный аккумулятор?
Собрать аккумуляторную батарею Li-ion типа можно из компонентов любого типоразмера и формы: цилиндрических ячеек, «пакетов», призматиков. Для сборки АКБ можно использовать любые компоненты: Li-ion ячейки с напряжением 3,6 или 3,7 В, аккумуляторы LiFePO4 с вольтажом 3,2 В, элементы Li-Po (3,7 В) или LTO (2,3–2,4 В).
Выбор типа химии зависит от параметров, которые должна иметь АКБ, и наиболее важных свойств. Например, аккумуляторы на основе литий-железо-фосфата более приспособлены для использования на морозе и имеют увеличенный циклический ресурс. Но по удельной емкости они уступают «банкам» Li-ion и Li-Po.
Главное правило: в составе каждой аккумуляторной батареи должны быть ячейки одного типа с абсолютно одинаковыми параметрами.
Схема сборки АКБ
Аккумуляторные батареи собирают по заранее выбранным схемам (12S14P, 10S1P и т.д.). В их обозначении число перед буквой S указывает на количество последовательных соединений, а число перед буквой Р – на количество параллельных соединений в каждой серии. На выбор схемы сборки влияет 2 фактора:
- Емкость и напряжение аккумуляторов, которые будут соединяться в единую батарею.
- Необходимые характеристики создаваемой батареи: ее емкость, напряжение, оптимальные размеры и форма.
При параллельном соединении «банок» суммируется их емкость. Когда полученные серии соединяют последовательно, суммируется их напряжение. В результате можно получить АКБ практически с любыми характеристиками. Например, если соединить по схеме 10S3P литий-ионные аккумуляторы с емкостью 2,5 Ач и вольтажом 3,6 В, получим АКБ с напряжением 36 В и запасом емкости 7,5 Ач.
Принцип сборки
Литиевая батарея собирается из одинаковых ячеек: с равными величинами емкости, вольтажа и внутреннего сопротивления. Сборка выполняется по предварительно выбранной схеме, по методу последовательно-параллельного соединения. Для большинства Li-ion ячеек соединение осуществляется с применением контактной точечной сварки и отрезов никелевой ленты. Некоторые аккумуляторы LFP типа соединяются с помощью монтажных пластин и болтов.
Для зарядки и питания батарея оснащается силиконовыми AWG проводами с разъемами ХТ60-мама. Для поддержания оптимальных рабочих характеристик АКБ снабжается BMS платой. Она оберегает аккумуляторы от перезаряда, КЗ, критического разряда и других опасных состояний. Благодаря этому батарея работает в благоприятных условиях, и продлевается срок ее службы.
Необходимые комплектующие, материалы и инструменты
Чтобы сделать Li-ion АКБ своими руками, понадобятся:
- аккумуляторы, отобранные по внутреннему сопротивлению и емкости;
- никелевая лента;
- аппарат точечной сварки – при использовании такого оборудования элементы питания не перегреваются;
- БМС плата;
- принадлежности для пайки;
- разъем для подключения ЗУ или нагрузки;
- выключатель;
- индикатор уровня заряда АКБ;
- стеклотекстолит толщиной 1,5–2 мм;
- термоусадочная трубка большого диаметра;
- промышленный фен;
- корпус – его можно купить или сделать самостоятельно, например, на 3D принтере;
- мультиметр, тестер;
- зарядное устройство – предназначенное для Li-ion батарей или универсальное;
- средства защиты – диэлектрические перчатки, очки.
Пошаговый алгоритм сборки
После расчета подходящей схемы сборки аккумуляторы проверяются на идентичность внутреннего сопротивления и емкости. На производствах для этих целей используются сортировочные машины. Напряжение на всех ячейках тоже должно быть одинаковым. Но даже у новых элементов питания наблюдается разбег 3,5–3,7 вольт. Нужно выровнять их вольтаж с помощью зарядки.
Чтобы собрать из аккумулятор 18650 нужно:
- Нарезать никелевые полосы с запасом по длине в 10 мм.
- Наложить их на контакты ячеек и убедиться в правильности расположения.
- Приварить полосы, соединяя элементы в соответствии с выбранной схемой.
- Припаять к концам батареи БМС плату – для защиты батареи от опасных состояний и мониторинга ее рабочих параметров.
- Установить индикатор заряда, выключатель индикатора, разъем для подсоединения зарядного устройства или нагрузки.
- Выполнить проверку собранной АКБ – несколько раз разрядить ее под нагрузкой и снова зарядить током 0,5С. Убедиться в отсутствии нагрева и полной работоспособности батареи. На производстве для этих целей используется специальный нагрузочный стенд, и после испытаний по полученным результатам получают график разряда.
- После успешных проверок – упаковать аккумуляторную батарею с помощью стеклотекстолита и термоусадки большого диаметра. Достаточно нагреть ее феном, и материал усядется, плотно облегая поверхность батареи.
- Изготовить корпус или взять готовый. Поместить в него полученную батарею.
Этот метод подходит и для сборки аккумуляторной батареи другого типоразмера.
Выводы
По такому принципу можно изготовить аккумуляторную батарею для шуруповерта, е-байка, аккумуляторной электростанции, беспилотника и любых других устройств. Главное – использовать компоненты хорошего качества, соблюдать правила соединения элементов, быть внимательным и аккуратным.
Для сборки батареи желательно брать новые «банки», в идеале – из одной серии. При переделке старой АКБ от ноутбука или других устройств не стоит рассчитывать на эффективную работу батареи. Аккумуляторы, исчерпавшие свой ресурс, не способны полноценно принимать и отдавать заряд. Но из них можно сделать батарею, если вы хотите попрактиковаться и отточить свои навыки.
Если же вам нужна надежная АКБ с хорошими характеристиками, все ее компоненты и качество сборки должны быть безупречными. Лучше всего поручить сборку Li-ion батареи специалистам. Но если вы уверены в своих знаниях и навыках, имеете необходимое оборудование и все комплектующие, можете выполнить эту работу своими силами.