Aktuell sind Lithium-Ionen die vorherschende Batterietechnik. Die hohe Energiedichte ist gerade für leichte Akkus von Vorteil und ermöglichen erst Anwendungen wie das Elektroauto, welches mit anderen Technologien wie Blei viel zu schwer werden würde.

Mehrere einzelne Zellen werden jeweils zu großen Akku-Packs zusammengeschlossen um höhere Leistungen zu ermöglichen.

Das Problem dabei: sollte eine Zelle defekt sein muss meist das ganze Pack entsorgt werden, obwohl die vielleicht 40 anderen Zellen eigentlich noch vollkommen in Ordnung wären.

Diese Ressourcenverschwendung wirkt in Anbetracht der ökologischen und sozialen Belastung z.B. in Südamerika, die der derzeitige Lithiumabbau darstellt, um so fataler.1 Dazu kommen viele weitere umweltbelastende Stoffe wie Kobalt, Nickel und Chrom. 2

Wir möchten diese wertvollen, voll funktionsfähigen Zellen noch weiter nutzen ohne erst die Rohstoffe mit komplexen und energieintensiven Recyclingverfahren zu extrahieren3, nur um letztlich vielleicht höchstens die Hälfte4 wieder verwenden zu können.

Im folgenden Artikel zeigen wir auf, wie wir aus alten Laptopakkus Zellen gewinnen, diese messen, neu zusammenbauen und mit Schutzschaltungen versehen, um am Ende ein Lastenfahrrad und Projekträume im Kanthaus autark mit Ökostrom zu versorgen.

Bauform 18650

Li-Ion Zellen gibt es in allen Formen und Farben. Am verbreitetsten ist wohl die 18650 Bauform, etwas größer als eine AA Batterie. Wir haben uns aufgrund der hohen Vefügbarkeit auf diese spezialisiert.

Quellen

  • Laptopakkus
  • Akkuschrauber-Akkus
  • Elektroscooter-Akkus
  • Elektroauto
  • Powerbanks
  • ...

Achtung!

Wir arbeiten hier mit Akkus, welche sich bei falscher Handhabung entzünden und sogar explodieren können. Dazu kommt, dass das Löschen der Akkus äußerst schwierig ist5. Du solltest also wissen was du tust, dich über Gefahren & Handhabung eingelesen haben, gute Kentnisse der Elektronik besitzen und alle notwendigen Sicherheitsvorkehrungen getroffen haben.

Zerlegen

Dazu gibt es viele anschauliche Anleitungen auf bekannten Videoportale zu finden. Die wichtigsten Hinweise sind:

  • Auf Pole achten und immer zuerst möglichst alle Leitungen abklemmen. Du solltest dir immer bewusst sein, bei welchen Teilen welche Spannung anliegt und wie du Kurzschlüsse verhinderst.
  • Handschuhe tragen! (Die Nickelstreifen sind sehr scharfkantig)
  • Metall am Arm ablegen bzw abkleben (Ringe, Festivalbänder, etc.)

Zellen testen

Um den Zustand einer Zelle zu erkennen und sie auch anschließend passend im Pack anzuordnen, müssen wir sie erstmal messen. Dazu haben wir uns auf einen Prozess festgelegt, den wir zum Messen aller Zellen anwenden, um Vergleichbarkeit herzustellen.

Vorgang

Nein
Ja
Nein
Ja
Nein
Ja
Nein
Ja
Ja
Nein
Ja
Nein
Start
In Liste eintragen
und mit ID versehen
Initiale Spannung
Messen und Eintragen
Spannung >2V?
Mit Labornetzteil
vorsichtig vorladen
2V, max 0.05A
Steigt Spannung sofort
und kontinuierlich an?
Bleibt ohne
Netzteil die Spannung
von 2V erhalten?
Mit Ladegerät auf 4.2V laden
Wir der Akku
deutlich heiß?
Lädt der Akku
nach 4 Stunden
immer noch?
Kurzschluss!
Vermerken & Müll
Hoher Innenwiderstand!
Vermerken & Müll
Vermerken & Müll
Energieverlust!
Vermerken & Müll
Entladen & messen1
2A, bis 3.2V
Kapazität vermerken
Wieder
voll laden
Spannung messen
und vermerken
30 Tage abwarten
Spannung messen
und vermerken
Spannungsabfall
>0.1V?
Vermerken & Müll
Einsortieren
Fertig!
Anmerkungen
  1. Mit 2A (genaugenommen 1.8Ω) Entladestrom
    Aufgrund des Innenwiderstandes der Zellen, bricht die Spannung bei stärkerer Last auch stärker ein. Um dem vorraussichtlichen Zweck entsprechend realistische Angaben zu erhalten, haben wir uns dazu entschieden mit einer Last von ~2A zu messen. Gemessene Ergebnisse liegen dadurch deutlich unter den Werten von konventionellen (Ent-)Ladegeräten.

Benutzte Geräte

Ladegerät

Um günstig möglichst viele Zellen gleichzeitig mit 1A zu laden.

Bestandteile
  • TP4056-Modulen
  • 5V Netzteil (bei 10 Zellen min. 10A)
Achtung
  • Module haben keinen Verpolschutz! Sobald eine Zelle verkehrt eingelegt wird, brennt das Modul durch und kann auch die Zelle beschädigen -> Brandgefahr!

Labornetzteil

Zellen sind manchmal tiefenentladen (<2V). Die TP4056-Module verweigern dann die Ladung, aber die Zellen sind meist noch verwendbar. Diese werden dann sehr vorsichtig mit maximal 0.05A an einem Labornetzteil bis 2V geladen.

Entladegerät

Kapazität Module, ~2A Entladestrom

Bestandteile
  • Kapazitätsmessmodul
  • 1,8Ω Lastwiderstand (>8W)
  • Kühlkörper
  • (optional) Lüfter

Daten sammeln

Um den Überblick über die vielen Zellen zu wahren sammeln wir alle Werte in einer Tabelle:

Download: https://cloud.kanthaus.online/s/qoZfJemSg7Jpbyr


Von Philipp Seidel kopiert und etwas an eigene Anforderungen angepasst

Weiter gehts...

Der erste Pack ist bereits gebaut und im nächsten Artikel werden wir etwas auf die Schwierigkeiten eingehen, die dabei zu Tage traten.

Desweiteren entwickeln wir derzeit ein eigenes Ladegerät, das uns diese vielen manuellen Schritte des Messprozesses abnimmt und die Daten vollautomatisch einträgt, welches natürlich als Open Source Projekt für alle zum Nachbau zugänglich sein wird.

Stay tuned!


Gefördert durch die Deutsche Postcode Lotterie.

  1. https://www.deutschlandfunk.de/lithiumabbau-in-chile-oekologisch-und-sozial-schwierige.697.de.html?dram:article_id=415667 

  2. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/378/publikationen/texte_27_2016_umweltbilanz_von_elektrofahrzeugen.pdf 

  3. https://www.deutschlandfunk.de/elektromobilitaet-das-muehsame-recycling-von-lithium-ionen.676.de.html?dram:article_id=439121 

  4. Burkert, A. ATZ Worldw (2018) 120: 10. https://doi.org/10.1007/s38311-018-0139-z 

  5. https://www.zeit.de/mobilitaet/2018-11/elektromobilitaet-elektroautos-motoren-feuerwehr-sicherheit 

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