Как сделать литий ионный аккумулятор своими руками
Перейти к содержимому

Как сделать литий ионный аккумулятор своими руками

  • автор:

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.

Nemo6117.jpg

Nemo6119.jpg

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.

Nemo6120.jpg

Спустя пару минут алюминиевый капсоль был удален, пора идти дальше.

Nemo6121.jpg

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.

Nemo6123.jpg

Nemo6125.jpg

Nemo6126.jpg

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.

Nemo6127.jpg

На очищенные места припаиваем провода контактов. Можно просто взять два медных провода (многожильных) и просто приклеиваем к контактам при помощи того же скотча.

Nemo6129.jpg

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.

Nemo6132.jpg

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!

Nemo6134.jpg

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

АКБ Li-ion 36 Вольт 10S1P (27-42В) 2,6 А*ч-6,5 А*ч

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:

  1. 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.
  2. «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.
  3. «Универсалы » с типом химии INR или NMC – формула с никелем, марганцем и кобальтом обеспечивает им баланс между солидным запасом емкости и интенсивной токоотдачей.
  4. 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.

схема соединения литиевых аккумуляторов

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.

схема изготовления литий-ионной батареи 4S3P

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.

АКБ LiFePO4 12,8 Вольт 4S6P (10-14,6В) 9 А*ч -120 А*ч

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:

blank

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.

blank

blank

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.

blank

blank

ТОЧЕЧ­НАЯ СВАР­КА. Сна­ча­ла варим “кино­лен­ту” и затем уси­ли­ва­ем ее свер­ху нике­ли­ро­ван­ной поло­сой. Изме­ря­ем напря­же­ние каж­дой сек­ции, оно долж­но быть одинаковое.

blank

blank

blank

blank

blank

blank

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.

blank

blank

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.

blank

blank

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:

  1. Емкость и напряжение аккумуляторов, которые будут соединяться в единую батарею.
  2. 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:

  1. Нарезать никелевые полосы с запасом по длине в 10 мм.
  2. Наложить их на контакты ячеек и убедиться в правильности расположения.
  3. Приварить полосы, соединяя элементы в соответствии с выбранной схемой.
  4. Припаять к концам батареи БМС плату – для защиты батареи от опасных состояний и мониторинга ее рабочих параметров.
  5. Установить индикатор заряда, выключатель индикатора, разъем для подсоединения зарядного устройства или нагрузки.
  6. 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.
  7. После успешных проверок – упаковать аккумуляторную батарею с помощью стеклотекстолита и термоусадки большого диаметра. Достаточно нагреть ее феном, и материал усядется, плотно облегая поверхность батареи.
  8. 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *