Аккумуляторные элементы Liitokala 21700 Lii-40A 3.7V и их сборки

За прошедший год, наверное, каждый житель Украины обзавёлся каким ни будь устройством с АКБ, а то и купил столько аккумуляторов разных, сколько не покупал за всю жизнь. И используют их практически везде: в мышке, светильниках, часах, пульте, весах, приёмнике, модеме… Разнообразие применения, как правило влечёт за собой и разнообразие форм, размеров и параметров. Отсутствие отключений электричества в этом году показало бессистемность покупки, а ещё и низкое качество некоторых АКБ. Когда аккумуляторы покупались под конкретные устройства, исходя из их требований, то смысл многообразия понятен. Но всё же мало кто чётко осознаёт степень применения аккумуляторных элементов 3.7В как таковых, в основном устройства требовали установки готовых сборок с более привычными номиналами напряжения в 5, 6, 9, 12, 14, 19, 20 и т.д. В. Причём 5, 9 или 12В как правило и просит не хитрая домашняя электроника, включая и ту, что обеспечивает домашний интернет, а вот устройства по сложнее требуют и больших значений, тот же ноутбук уже просит 19-20В, а квадрокоптер 22.2В.

Естественно напрашивается вопрос, а можно ли из элементов самим сделать сборки? И ответ, конечно, да! Но Li-Ion батареи требуют установки соответствующей топологии сборки управляющей платы, которую также нужно приобрести. А это уже сильно удорожает сборку и не внушает доверия в собственные силы пайки конструкции. Впрочем, дроны (квадрокоптеры) уже имеют управляющую систему на своей основной плате, что потребует от Вас лишь сделать выводы на соответствующий разъём АКБ.

А дроны, как патроны – их много не бывает, и АКБ к ним также сейчас востребованы в Украине.

Но давайте по порядку: что предлагаем мы, что сможете Вы? Как это делать и что для этого надо?

Аккумуляторные элементы и их бренд

Предлагаем LiitoKala. Фирма проверенная. Всё что было заказано ранее –клиенты подтверждают – хорошего качества.

LiitoKala – это китайская компания, расположенная в Шеньчжень. Датой основания считается 2009 год. Основная специализация этой фирмы заключается в разработке и выпуске зарядных устройств для аккумуляторов. Проектированием зарядных устройств специалисты фирмы занимаются еще с 2005 года. В дальнейшем компания стала выпускать аккумуляторные элементы. Продукцию LiitoKala можно считать оптимальным предложением с точки зрения сочетания стоимости и качества. По разумной цене фирма предлагает устройства с широким функционалом.

21700 — это довольно новый тип аккумуляторных элементов. Такие большие в отдельные устройства пока ставят редко. Впрочем, как не странно, некоторым они понадобились для электронной сигареты, что оказалось их самым распространённым применением. Из описаний у разных продавцов аксессуаров электронных сигарет в части разрядного тока сильно отличается. Где-то максимум указывается на уровне 30, а где-то 40 А. Оба этих значения сильно завышены. Если посмотреть различные тесты и обзоры, что мы сделаем ниже, то там максимально допустимый разрядный ток для LiitoKala Lii-40A 21700, определённый экспериментальным путём, составляет 20─25 ампер. Это предел, при котором аккумуляторный элемент сильно разогревается. Дальнейшее увеличение разрядного тока просто опасно. Возможно только кратковременное увеличение выше указанного предела.

Зато номинальная ёмкость LiitoKala Lii-40A обычно больше заявленной. Те, кто тестировал их, получали 4050─4150 мАч на новых аккумуляторных элементах.

Аккумулятор 21700 - это один распространённых аккумуляторных элементов цилиндрической формы. Используется в качестве элемента питания всевозможных портативных устройств.

Они востребованы при создании аккумуляторных батарей для электросамокатов и электровелосипедов, а ещё конструкторы электромобилей Tesla решили использовать эти элементы в своих тяговых батареях.

Практически во всех перечисленных случаях аккумуляторы 21700 используются в составе сборок. В некоторых устройствах типа указок, фонариков они используются по отдельности.

Конструкция элементов 21700

Конструкция 21700 ничем не отличается от других литий─ионных аккумуляторов цилиндрической формы. Электроды сделаны в виде ленты, на которую нанесён состав для катода и анода. Материал анода представляет собой углеродосодержащий материал. Он может быть с неупорядоченной структурой, как сажа или кокс. Или с упорядоченной структурой, как синтетический графит. Помимо этого, могут присутствовать добавки в виде композитных материалов, содержащих кремний, кобальт, сульфиды олова.

В качестве материала катода применяют литированные оксиды металлов. Чаще всего это кобальт (Co). Кроме того, в некоторых случаях используется никель (Ni).

Распространены железо-фосфатные соединения в качестве материала катода и литий-марганцевые шпинели. Вообще, выбор материала для катода в литий─ионных аккумуляторах ограничен.

Отличие АКБ 21700 от других цилиндрических Li─Ion аккумуляторов заключается в геометрических размерах. Габариты зашифрованы в названии. К примеру, распространённые элементы 18650 и 18500 при диаметре 18 мм имеют длину 65 и 50 мм, соответственно. А 21700 имеет диаметр 21 мм, а длину 70 мм. Более крупные физические размеры обеспечивают более широкий рулон электродов и большее число витков по сравнению с указанными выше моделями. А это значит, что и ёмкость литий─ионных аккумуляторных элементов 21700 выше.

Положительный электрод выводится на торец, а отрицательный на корпус. Вся конструкция помещена в герметичный стальной корпус. Герметичность обеспечивается опрессовкой или пайкой. Для защиты от взрыва предусмотрен клапан. Если внутри будет слишком высокое давление из-за выделения газов, то клапан открывается и сбрасывает его. Он предназначен для одноразового использования. То есть, после открытия аккумулятор больше не пригоден для использования.

Как и другие Li─Ion аккумуляторные батареи могут выпускаться с платой защиты или без. Модели без защиты более распространены, поскольку они часто работают под управлением контроллера в каких-то устройствах. Например, в составе АКБ электрического велосипеда.

Рабочее напряжение Li─Ion 21700 равно 3,7 вольта. При этом минимальное напряжение 2,75, а максимальное – 4,2 вольта. Ток разряда у стандартных моделей до нескольких ампер. У специальных моделей может достигать 15─20 А. В плане заряда отличий никаких. Зарядное устройство от других литий─ионных аккумуляторов может не подойти лишь из-за кредла, который не вместит большой 21700.

В процессе зарядки на электродах аккумулятора 21700 протекают следующие процессы.

При разряде эти процессы проходят в обратном направлении.

В процессе заряда происходит внедрение (интеркаляция) ионов лития между слоями углерода. Слои раздвигаются и образуются интеркалаты. При разряде происходит деинтеркаляция. Схематически процесс можно представить следующим образом.

Специалисты называют литий-ионные аккумуляторные элементы 21700 оптимальным решением по энергетической плотности и стоимости ватт-час. Некоторые зарубежные источники сообщают, что для аккумуляторов электромобилей замена 18650 на 21700 при сохранении ёмкости позволит сэкономить до 9% стоимости.

Однако дальнейшее увеличение размера элементов отрицательно сказывается на безопасности такой системы.

Тест элементов LiitoKala 21700

Приведем результаты тестирования сильнотоковых элементов 21700 с хорошей емкостью от LiitoKala с сайта https://lygte-info.dk/info/Review UK.html.

Два элемента достаточно хорошо соответствуют кривым разряда, и емкость практически постоянна при любой нагрузке.

Однако, ячейки нагреваются при большом токе.

Впрочем, по остальным параметрам всё в норме

По итогу можно констатировать, что ячейки имеют номинальную емкость, и емкость довольно постоянна при нагрузке, но они довольно сильно нагреваются при большом токе. Это означает, что они могут выдерживать высокий импульсный ток, но 20А или более при постоянном токе - не очень хорошая идея.

АКБ на базе элементов 21700

Как уже говорилось, аккумуляторы 21700 чаще всего используются в составе сборок, вот и рассмотрим некоторые полезные для Украины сборки.

На предприятиях используется точечная сварка для соединения элементов питания, но в домашних условиях это чаще пайка. И пайка требуется профессиональная.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! Пайка аккумуляторов может быть очень опасной, если вы не знаете, что делаете. Если вы новичок в пайке, мы не рекомендуем этого делать. Как вариант, слишком долгое удерживание паяльника на полюсах аккумулятора может привести к нагреву ячейки, а, как следствие, и очень ПЛОХИМ последствиям.

Начнём со сборок, не требующих плат контроля заряда (BMS), полезных в наше время и даже очень востребованных. Это АКБ для FPV дронов с номинальным напряжением 22.2 В с выводом контактов балансировки, выполняемой материнской платой управления дроном.

Список покупок

Прежде всего нужно приобрести всё необходимое в этом проекте. Для этого вам понадобится несколько вещей:

1. Литий-ионные элементы

Как и понятно, для этой сборки используем литий-ионные элементы Liitokala 21700 Lii-40A 3.7V емкостью 4000 мАч 20A.

2. Соединители:

• 1x Штекер XT-60

  

  (XT-60 Plug)

• Разъём вывода баланса 1x 6s

  

  (Balance lead)

3. Провода:

• 16 AWG для разрядного провода (Сечение 1,27мм, Ø 3мм)
• 20 AWG для балансировочного провода (Сечение 0,5мм, Ø 1,8мм)

4. Крепление:

Лист для припоя аккумулятора, а также понадобится прочная лента, чтобы скрепить батарейки вместе. Кроме того, понадобится изолента, чтобы склеить концы.

Первая электрическая схема и её сборка

Как вы можете видеть на схеме, по сути, нужно спаять все элементы вместе в одну длинную линию. А между каждым соединением припаять балансировочный провод. Это должно быть сделано в порядке, указанном на схеме. Используя листы аккумуляторного припоя, спаиваем элементы вместе начиная с соединения 2, 4 и 6 пайкой.

Затем добавляем провода балансировки (смотрите первую схему подключения). Кладём батарейки друг на друга и, используя клейкую ленту, фиксируем их вместе.

Не забудьте добавить отрицательный вывод и балансировочные провода в середину батареи для подключения 3 и 7.

Припаяйте соединения 1 и 5. Добавьте в разъём все выводы балансировочного провода.

Самая сложная часть этой сборки заключалась в том, чтобы просто сделать так, чтобы все провода и отводы идеально подходили по длине.

Следующим шаг - соединить скотчем все три батарейки в соответствии с конфигурацией 3 + 3.

Оберните все вместе прочной клейкой лентой. Закройте паяные соединения с каждой стороны аккумулятора изолентой.

Используйте изоленту или термоусадочную ленту для окончательной отделки. Теперь это должно выглядеть примерно так:

Вторая литий-ионная сборка

Второй аккумулятор, тоже 6S на 4000 мАч, изготавливаем в конфигурации 3 × 2. Удлиненный аккумулятор с конфигурацией 3 + 3 прекрасно помещается под дроном определённого вида, но в моделя с АКБ сверху нужно нечто другое, а зачастую более компактное.

конфигурация 3×2

Метод идентичен первому аккумулятору. По сути, это 6 аккумуляторов, соединенных последовательно, с балансировочными проводами, подключенными к каждому соединению.

Схему уже покажу рисунком, т.к. в книжках их уже не печатают.

Отличие в пайке здесь только в том, что вся она выполняется кусочками провода 16 AWG, а не листом для пайки.

После окончательного скручивания изолентой это должно выглядеть примерно так:

Третья литий-ионная сборка

Это сбалансированный литий-ионный аккумулятор 6s2p для квадрокоптера в конфигурации 6 × 2 уже на 8000 мАч.

Сборка выполняется по аналогии с предыдущей, но балансировочные сигналы выводятся уже с пары соединённых элементов.

Именно такие сборки, но с точечной сваркой изготавливаются сейчас на волонтёрских предприятиях.

После окончательного стягивания прочной лентой и обтяжки термоусадкой это выглядит примерно так

Универсальная батарея 20000 мАч

В качестве четвёртой и последней сборки предложу-таки полезную для собственного хозяйства штуку с реальной емкостью в ~20 Ач при 12 В в отличие от магазинных повербанков. Эта батарея и на 5 В может обеспечить более 47 Ач.

Список покупок для батареи

В этом проекте, естественно будет свой перечень запчастей. Для него вам понадобится следующее:

1. Всё те же литий-ионные элементы Liitokala 21700 Lii-40A 3.7V емкостью 4000 мАч 20A.

2. Стабилизатор/преобразователь напряжения понижающий DC-DC 24V/12V to 5V 5A converter.

3. Розетка для автомобильного прикуривателя 12V с подсветкой

4. Модуль USB QC & PD с индикатором напряжения

5. Разъём XT60BE-F с креплением

6. Плата BMS 3S/4S/5S

7. Качественный разъём 5.5 mm x 2.1mm с крышкой

8. Повышающий понижающий преобразователь Faraday Electronics DC/DC 80W/UD-DC/5-30V

9. Модуль беспроводной зарядки 20W

10. Выключатель питания с подсветкой.

11. Адаптер питания, 16 В, 2 А, 16 В, 2000 мА, 32 Вт, интерфейс 5,5 мм, трансформатор.

Самое сложное здесь подобрать нужный бокс. А сборка довольно тривиальная, все элементы собираются последовательно по 4, а за тем параллельно по 4, или наоборот.

Разумеется, это только идея, что реально вставить в эту батарею можно исходить из возможностей и фантазии каждого.

Впрочем, вариантов сборок может быть миллион, различны и потребности каждого. Главное знать, где взять основу для этих решений. А основа это литий-ионные элементы Liitokala 21700 Lii-40A 3.7V емкостью 4000 мАч 20A.