Акумуляторні елементи Liitokala 21700 Lii-40A 3.7V та їх складання

За минулий рік, напевно, кожен мешканець України обзавівся якимось пристроєм з АКБ, а то й купив стільки акумуляторів різних, скільки не купував за все життя. І використовують їх практично скрізь: у мишах, світильниках, годинниках, пульті, вагах, приймачі, модемі… Різноманітність застосування, як правило, тягне за собою і різноманітність форм, розмірів і параметрів. Відсутність відключень електрики цього року показала безсистемність покупки, а ще й низьку якість деяких АКБ. Коли акумулятори купувалися під конкретні пристрої, з їх вимог, то зміст різноманіття зрозумілий. Але все ж таки мало хто чітко усвідомлює ступінь застосування акумуляторних елементів 3.7В як таких, в основному пристрої вимагали установки готових збірок з більш звичними номіналами напруги 5, 6, 9, 12, 14, 19, 20 і т.д. В. Причому 5, 9 або 12В зазвичай і вимагає не хитра домашня електроніка, включаючи і ту, що забезпечує домашній інтернет, а ось пристрої по складніше вимагають і більших значень, той же ноутбук вже вимагає 19-20В, а квадрокоптер 22.2В.

Звичайно напрошується питання, а чи можна з елементів самим зробити збірки? І відповідь, звісно, так! Але Li-Ion батареї вимагають встановлення відповідної топології зборки керуючої плати, яку також потрібно придбати. А це вже сильно подорожчає складання і не вселяє довіри у власні сили паяння конструкції. Втім, дрони (квадрокоптери) вже мають керуючу систему на своїй основній платі, що вимагатиме від Вас лише зробити виводи на відповідний роз'єм АКБ.

А дрони, як набої – їх багато не буває, і АКБ до них також зараз потрібні в Україні.

Але давайте упорядковане: що ми пропонуємо, що зможете Ви? Як це робити, і що для цього треба?

Акумуляторні елементи та їх бренд

Пропонуємо LiitoKala. Фірма перевірена. Все що було замовлено раніше – клієнти підтверджують – хорошої якості.

LiitoKala – це китайська компанія, розташована в Шеньчжень. Датою заснування вважається 2009 рік. Основна спеціалізація цієї фірми полягає у розробці та випуску зарядних пристроїв для акумуляторів. Проектуванням зарядних пристроїв спеціалісти фірми займаються ще з 2005 року. Надалі компанія почала випускати акумуляторні елементи. Продукцію LiitoKala можна вважати оптимальною пропозицією з погляду поєднання вартості та якості. За розумною ціною фірма пропонує пристрої із широким функціоналом.

21700 – це досить новий тип акумуляторних елементів. Такі великі в окремі пристрої поки ставлять рідко. Втім, як не дивно, деяким вони знадобилися для електронної сигарети, що виявилося найпоширенішим їх застосуванням. З описів у різних продавців аксесуарів електронних сигарет у частині розрядного струму дуже відрізняється. Десь максимум вказується на рівні 30, а десь 40А. Обидва ці значення сильно завищені. Якщо подивитися різні тести та огляди, що ми зробимо нижче, то там максимально допустимий розрядний струм LiitoKala Lii-40A 21700, визначений експериментальним шляхом, становить 20-25 ампер. Це межа, за якої акумуляторний елемент сильно розігрівається. Подальше збільшення розрядного струму просто небезпечне. Можливе лише короткочасне збільшення вище вказаної межі.

Зате номінальна ємність LiitoKala Lii-40A зазвичай більша за заявлену. Ті, хто тестував їх, отримували 4050-4150 мАгод на нових акумуляторних елементах.

Акумулятор 21700 – це один поширених акумуляторних елементів циліндричної форми. Використовується як елемент живлення різних портативних пристроїв.

Вони потрібні при створенні акумуляторних батарей для електросамокатів і електровелосипедів , а також конструктори електромобілів Tesla вирішили використовувати ці елементи у власних тягових батареях.

Практично в усіх випадках акумулятори 21700 використовуються у складі збірок. У деяких пристроях типу вказівок, ліхтариків вони використовуються окремо.

Конструкція елементів 21700

Конструкція 21700 нічим не відрізняється від інших літій-іонних акумуляторів циліндричної форми. Електроди зроблені як стрічки, на яку нанесений склад для катода і анода. Матеріал анода є вуглецевмісним матеріалом. Він може бути з невпорядкованою структурою, як сажа чи кокс. Або з упорядкованою структурою, як синтетичний графіт. Крім цього, можуть бути добавки у вигляді композитних матеріалів, що містять кремній, кобальт, сульфіди олова.

Як матеріал катода застосовують літовані оксиди металів. Найчастіше це кобальт (Co). Крім того, у деяких випадках використовується нікель (Ni).

Поширені залізо-фосфатні сполуки як матеріал катода та літій-марганцеві шпинелі. Взагалі вибір матеріалу для катода в літій-іонних акумуляторах обмежений.

Відмінність АКБ 21700 від інших циліндричних Li-Ion акумуляторів полягає в геометричних розмірах. Габарити зашифровані у назві. Наприклад, поширені елементи 18650 та 18500 при діаметрі 18 мм мають довжину 65 та 50 мм, відповідно. А 21 700 має діаметр 21 мм, а довжину 70 мм. Більші фізичні розміри забезпечують ширший рулон електродів і більше витків порівняно з зазначеними вище моделями. А це означає, що і ємність літій-іонних акумуляторних елементів 21700 вище.

Позитивний електрод виводиться на торець, а негативний на корпус. Вся конструкція поміщена у герметичний сталевий корпус. Герметичність забезпечується опресуванням або паянням. Для захисту від вибуху передбачено клапан. Якщо всередині буде занадто високий тиск через виділення газів, клапан відкривається і скидає його. Він призначений для одноразового використання. Тобто після відкриття акумулятор більше не придатний для використання.

Як і інші Li-Ion акумулятори можуть випускатися з платою захисту або без. Моделі без захисту більш поширені, оскільки часто працюють під управлінням контролера в якихось пристроях. Наприклад, у складі АКБ електричного велосипеда.

Робоча напруга Li-Ion 21700 дорівнює 3,7 вольта. При цьому мінімальна напруга 2,75, а максимальна – 4,2 вольта. Струм розряду у стандартних моделей до кількох ампер. У спеціальних моделей може досягати 15-20 А. У плані заряду відмінностей ніяких. Зарядний пристрій від інших літій-іонних акумуляторів може не підійти лише через кредло, яке не вміщує великий 21700.

У процесі заряджання на електродах акумулятора 21700 протікають такі процеси.

При розряді ці процеси відбуваються у зворотному напрямі.

У процесі заряду відбувається використання (інтеркаляція) іонів літію між шарами вуглецю. Шари розсуваються та утворюються інтеркалати. При розряді відбувається деінтеркаляція. Схематично процес можна подати так.

Фахівці називають літій-іонні акумуляторні елементи 21700 оптимальним рішенням з енергетичної щільності та вартості ват-години. Деякі зарубіжні джерела повідомляють, що для акумуляторів електромобілів заміна 18 650 на 21 700 при збереженні ємності дозволить заощадити до 9% вартості.

Однак подальше збільшення розміру елементів негативно позначається на безпеці такої системи.

Тест елементів LiitoKala 21700

Наведемо результати тестування сильнострумових елементів 21700 з гарною ємністю від LiitoKala із сайту https://lygte-info.dk/info/Review UK.html.

Два елементи досить добре відповідають кривим розряду, і ємність практично стала при будь-якому навантаженні.

Однак, осередки нагріваються при великому струмі.

Втім, за іншими параметрами все гаразд

За підсумками можна констатувати, що осередки мають номінальну ємність, і ємність досить постійна при навантаженні, але досить сильно нагріваються при великому струмі. Це означає, що вони можуть витримувати високий імпульсний струм, але 20А або більше за постійного струму - не дуже хороша ідея.

АКБ на базі елементів 21700

Як уже говорилося, акумулятори 21700 найчастіше використовуються у складі збірок, от і розглянемо деякі корисні для України збірки.

На підприємствах використовується точкове зварювання для з'єднання елементів живлення, але в домашніх умовах це найчастіше паяння. І пайка потрібна професійна.

ПОПЕРЕДЖЕННЯ! Паяння акумуляторів може бути дуже небезпечним, якщо ви не знаєте, що робите. Якщо ви новачок у пайці, ми не рекомендуємо це робити. Як варіант, занадто довге утримання паяльника на полюсах акумулятора може призвести до нагрівання осередку, а, як наслідок, і дуже ПОГАНИХ наслідків.

Почнемо зі збірок, що не вимагають плат контролю заряду (BMS), корисних у наш час і навіть дуже затребуваних. Це АКБ для FPV дронів з номінальною напругою 22.2В з виведенням контактів балансування, що виконується материнською платою керування дроном.

Список покупок

Насамперед потрібно придбати все необхідне у цьому проекті. Для цього вам знадобиться кілька речей:

1. Літій-іонні елементи

Як і зрозуміло, для цієї збірки використовуємо літій-іонні елементи Liitokala 21700 Lii-40A 3.7V ємністю 4000 мАг 20A.

2. З'єднувачі:

• 1x Штекер XT-60

  

  (XT-60 Plug)

• Роз'єм виведення балансу 1x 6s

  

  (Balance lead)

3. Дроти:

• 16 AWG для розрядного дроту (Переріз 1,27мм, Ø 3мм)
• 20 AWG для балансувального дроту (Переріз 0,5мм, Ø 1,8мм)

4. Кріплення:

Лист для припою акумулятора, а також знадобиться міцна стрічка, щоб скріпити батарейки разом. Крім того, знадобиться ізолента, щоб склеїти кінці.

Перша електрична схема та її складання

Як ви можете бачити на схемі, по суті потрібно спаяти всі елементи разом в одну довгу лінію. А між кожним з'єднанням припаяти балансувальний провід. Це має бути зроблено у порядку, вказаному на схемі. Використовуючи листи акумуляторного припою, спаюємо елементи разом починаючи зі з'єднання 2, 4 та 6 пайкою.

Потім додаємо дроти балансування (дивіться першу схему підключення). Кладемо батарейки один на одного і, використовуючи клейку стрічку, фіксуємо їх разом.

Не забудьте додати негативний вивід та балансувальні дроти в середину батареї для підключення 3 та 7.

Припаяйте з'єднання 1 і 5. Додайте до роз'єму всі висновки балансувального дроту.

Найскладніша частина цієї збірки полягала в тому, щоб просто зробити так, щоб усі дроти та відводи ідеально підходили по довжині.

Наступним кроком - з'єднати скотчем всі три батарейки відповідно до конфігурації 3 + 3.

Оберніть всі разом міцною клейкою стрічкою. Закрийте паяні з'єднання з кожного боку акумулятора ізолентою..

Використовуйте ізоленту або термозбіжну стрічку для остаточного оздоблення. Тепер це має виглядати приблизно так:

Друга літій-іонна збірка

Другий акумулятор, теж 6S на 4000 мАгод , виготовляємо в конфігурації 3×2. Подовжений акумулятор з конфігурацією 3+3 чудово поміщається під дроном певного виду, але в модель з АКБ зверху потрібно щось інше, а найчастіше більш компактне.

конфігурація 3×2

Метод ідентичний першому акумулятору. По суті, це 6 акумуляторів, послідовно з'єднаних з балансувальними проводами, підключеними до кожного з'єднання.

Схему вже покажу малюнком, т.к. у книжках їх не друкують.

Відмінність у пайці тут тільки в тому, що вся вона виконується шматочками дроту 16 AWG, а не листом для паяння.

Після остаточного скручування ізолентою це має виглядати приблизно так:

Третя літій-іонна збірка

Це збалансований літій-іонний акумулятор 6s2p для квадрокоптера в конфігурації 6×2 вже на 8000 мАгод.

Складання виконується за аналогією з попередньою, але балансувальні сигнали виводяться вже з пари з'єднаних елементів.

Саме такі зборки, але з точковим зварюванням виготовляються зараз на волонтерських підприємствах.

Після остаточного стягування міцною стрічкою та обтяжки термоусадкою це виглядає приблизно так:

Універсальна батарея 20000 мАгод

Як четверту і останню зборку запропоную-таки корисну для власного господарства штуку з реальною ємністю в ~20 Агод при 12В на відміну від магазинних повербанків. Ця батарея і на 5В може забезпечити понад 47 Агод.

Список покупок для батареї

У цьому проекті, природно, буде свій перелік запчастин. Для нього вам знадобиться таке:

1. Всі ті ж літій-іонні елементи Liitokala 21700 Lii-40A 3.7V емкостью 4000 мАч 20A.

2. Стабілізатор/перетворювач напруги знижуючий DC-DC 24V/12V to 5V 5A converter.

3. Розетка для автомобільного прикурювача 12V з підсвічуванням

4. Модуль USB QC&PD з індикатором напруги

5. Роз'єм XT60BE-F з кріпленням

6. Плата BMS 3S/4S/5S

7. Якісний роз'єм 5.5 мм x 2.1мм з кришкою

8. Підвищуючий знижувальний перетворювач Faraday Electronics DC/DC 80W/UD-DC/5-30V

9. Модуль бездротової зарядки 20W.

10. Вимикач живлення з підсвічуванням.

11. Адаптер живлення, 16 В, 2 А, 16 В, 2000 мА, 32 Вт, інтерфейс 5,5 мм, трансформатор.

Найскладніше тут підібрати потрібний бокс. А збірка досить тривіальна, всі елементи збираються послідовно по 4, а потім паралельно по 4, або навпаки.

Зрозуміло, це лише ідея, що реально вставити в цю батарею можна виходити з можливостей та фантазії кожного.

Втім, варіантів збірок може бути мільйон, різні й потреби кожного. Головне знати, де взяти основу цих рішень. А основа це літій-іонні елементи Liitokala 21700 Lii-40A 3.7V ємністю 4000 мАгод 20A.