DIY: Basteln mit Lithium-Ionen-Zellen aus E-Zigaretten
E-Zigaretten gelten zwar als gesundheitlich unbedenklicher als der klassische Glimmstängel, problematisch sind sie dennoch: Insbesondere die vielen Einwegmodelle sind nach meist wenigen Tagen Elektroschrott. Noch problematischer ist, dass viele Nutzer sie im Hausmüll entsorgen oder achtlos in die Gegend werfen. Denn jedes dieser Wegwerfprodukte enthält einen Lithium-Ionen-Akku.
Aus der Umweltsünde können Bastler zumindest noch etwas Gutes ziehen: Den Akkuzellen lässt sich in DIY-Projekten ein zweites Leben schenken. Je nach Modell haben wir Flach- oder Rundzellen mit bis zu 850 mAh Kapazität gefunden. Aufmerksam wurden wir darauf über den Youtuber Bigclivedotcom(öffnet im neuen Fenster) , der die auch Vapes genannten Produkte als "street lithium" , Straßenlithium, bezeichnet. Wir haben gesammelt und mit der Ausbeute mal mehr, mal weniger weihnachtlich gebastelt.
Wir beginnen aber mit einer Warnung: Lithium-Ionen-Akkus sind kleine Sensibelchen, die bei unsachgemäßer Behandlung gern mit Rauch und Funken ihr Leben aushauchen. Auf die Gründe dafür, und wie man die Zellen korrekt nutzt, gehen wir noch näher ein.
Ein paar allgemeine Hinweise vorab: Aufgeblähte Zellen dürfen unter keinen Umständen verwendet werden, da dies auf eine Schädigung hindeutet! Auch anderweitig beschädigte Zellen sollten entsorgt und nicht verwendet werden. Akkus sollten zudem so verpackt werden, dass es nicht zu einem Kurzschluss oder einer Beschädigung kommen kann. Wir geben entsprechende Hinweise, übernehmen aber für Unfälle durch unsachgemäße Handhabung keine Haftung.
Die Zelle aus ihrer Zelle befreien
Zuerst einmal müssen wir den Akku aus dem Gehäuse bekommen - was teils sorgfältig dosierte Gewalt erfordern kann. Dennoch sollte man hier Vorsicht walten lassen, um die verbaute Zelle nicht zu beschädigen. Auch das Tragen von Handschuhen empfiehlt sich, nicht nur aus hygienischen Gründen, sondern auch, um den fast immer ausgelaufenen Restinhalt nicht auf die Haut zu bekommen.
Wir haben hier gute Erfahrungen mit dem Öffnungswerkzeug iSesamo(öffnet im neuen Fenster) gemacht, das etwa iFixit verkauft. Die meisten Gehäuse sind lediglich verpresst, auch wenn das teils erst erkennbar ist, nachdem ein Aufkleber entfernt wurde. Bei einigen unserer Fundstücke waren Gehäuseteile zusätzlich verklebt, was beim ersten Öffnungsversuch Plastiksplitter zur Folge hatte. Eine Gefahr, den empfindlichen Akku zu beschädigen, gab es aber bei keinem der von uns auseinandergenommenen Produkte. Bei einem Modell war allerdings der Akku verklebt, mit einer Pinzette konnten wir den Kleber vorsichtig lösen.
Nach dem Öffnen können wir vorsichtig die Elektronik entnehmen. Bei zylindrischen Vapes lohnt es sich, wenn möglich, beide Enden zu entfernen, um den Inhalt herausschieben zu können. Der besteht aus einem Tank mit Heizelement, das mit der Akkuzelle und eventuell weiterer Elektronik über dünne Drähte verbunden ist.
Einfache Modelle bestehen lediglich aus Akku, Heizelement und einem Sensor, um ein Ziehen an der E-Zigarette zu erkennen. Einige haben aber auch einen USB-Anschluss zum Aufladen, eine passende Ladeelektronik und Schutzmechanismen sind ebenfalls vorhanden. Leider sind die verbauten Platinen für uns wertlos, da sie einen speziell für E-Zigaretten entwickelten Chip nutzen, der alle Funktionen integriert.
In unserem Fall ist das ein CSC909X ( Datenblatt, PDF(öffnet im neuen Fenster) ) von Crystal Source Micro aus China. Eine seiner Funktionen: Er schützt vor zu langer Inhalation und schaltet die Spannungsversorgung nach maximal 12,5 Sekunden wieder ab.
Daher kneifen wir nicht benötigte Kabel einfach mit einem Seitenschneider ab - einen nach dem anderen, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Verlötete Kabel können auch entlötet werden, an den Lötfahnen der Zelle sollte, wenn überhaupt, nur mit größter Vorsicht gearbeitet werden. Wir überkleben diese noch mit Kaptonband, sofern sie freiliegen.
Wer die Zellen nicht sofort verlötet, sollte die Enden der Anschlussdrähte einzeln mit Klebeband abkleben, um ungewollten Kontakt zu vermeiden. Nachdem wir das Straßenlithium gefördert haben, bereiten wir es im nächsten Schritt für die weitere Verwendung auf. Denn ein Lithium-Ionen-Akku sollte niemals ohne passende Schutzschaltung verwendet werden.
Die richtige Hardware für die sensiblen Zellen
Bevor ein ausgebauter Akku verwendet wird, sollte sicherheitshalber seine Leerlaufspannung, also ohne Last, gemessen werden. Ist der Akku tiefentladen, können sich Kupferdendriten gebildet haben, es droht ein innerer Kurzschluss und damit ein wenig besinnlicher, brennender Akku.
Leider ist es schwer, eine verlässliche Spannung zu finden, ab der ein Akku definitiv nicht mehr verwendet werden sollte. Wikipedia nennt 1,5 Volt(öffnet im neuen Fenster) , weist aber auch darauf hin, dass bereits ab 2,4 Volt irreversible Schäden drohen. Wir würden daher auf Nummer sicher gehen und Zellen mit niedrigerer Spannung nicht mehr verwenden.
Für gut befundene Zellen statten wir mit einem Laderegler aus, ohne sollten Lithium-Ionen-Akkus nicht geladen werden. Der Regler sorgt dafür, dass die Zelle bis zum Erreichen einer Schwellspannung mit konstantem Strom, anschließend mit konstanter Spannung geladen wird. Entsprechende Schaltungen sind für wenig Geld über Ebay oder diverse Elektronikhändler zu bekommen.
Sie verwenden üblicherweise den Laderegler TP4056 der Nanjing Top Power Asic Corp. ( Datenblatt, PDF(öffnet im neuen Fenster) ), einige verfügen zudem über weitere Bauteile zum Schutz der Akkuzelle. Hier ist ein genauer Blick erforderlich: Ist lediglich ein Chip mit acht Pins verbaut und verfügt die Platine nicht über extra Anschlüsse für die zu versorgende Schaltung (meist heißen sie Out+ und Out-), dann wird direkt die Akkuspannung abgegriffen.
Das kann gefährlich werden, da der Akku weder gegen Kurzschluss noch Tiefentladung geschützt ist. Beides kann, wie bereits erwähnt, zur Beschädigung oder gar Zerstörung führen. Zwar gibt es einige Schaltungen, die durchaus ohne zusätzliche Schutzschaltung betrieben werden könnten. Ein Mikrocontroller etwa, der über einen Abwärtswandler (Buck-Wandler) mit 3,3 Volt versorgt wird, würde schon abschalten, bevor die Spannung des Akkus auf diesen Wert abfällt.
Lieber mit Rundumschutz
Eine Ausnahme ist der Raspberry Pi Pico, dessen Spannungsregler Ab- und Aufwärtsregelung beherrscht (Buck-Boost-Regler). Der arbeitet noch bei 1,8 Volt, was für einen Lithium-Ionen-Akku bereits gefährlich ist. Ähnliches gilt für LEDs - wir wollen unsere Weihnachtsbeleuchtung auf Akkubetrieb umrüsten - oder Schaltungen, bei denen stets ein Strom fließt.
Generell halten wir es für sinnvoll, immer eine Platine mit zusätzlicher Schutzschaltung zu verwenden. Die sind nur minimal teurer als die ganz einfachen Varianten ausschließlich mit Laderegler. Leider finden sich aber selbst bei einigen Händlern Beispielschaltungen, die eine Zelle ohne eigene Schutzschaltung - bei einzeln an Endkunden verkauften Zellen ist die teils integriert - tiefentladen können.
Auf unseren Modellen ist etwa ein DW01-P ( Datenblatt, PDF(öffnet im neuen Fenster) ) von Fortune Semiconductor verbaut. Fällt die Akkuspannung auf 2,4 Volt, trennt er über einen Mosfet die Zelle von der versorgten Schaltung.
Erst wenn die Zellspannung wieder bei über 3 Volt liegt, wird die Abschaltung aufgehoben. Das mag zu spät erscheinen, da bei 2,4 Volt laut Wikipedia bereits eine Schädigung der Zelle droht. Die Idee dahinter ist, dass die Spannung unter Last niedriger ist als die Leerlaufspannung. Bei einer LED-Lichterkette lag die Zellspannung etwa nach Abschaltung durch den DW01-P noch bei 2,74 Volt.
Der Chip schützt zudem vor Überstrom, denn zu hohe Ströme mögen Lithium-Ionen-Akkus weder beim Laden noch beim Entladen. Sie können zur Überhitzung des Akkus und einer Kettenreaktion führen. Am Ende steht dann der bereits bekannte Feuertod der Zelle.
Die Ladeschaltung braucht noch einen Umbau
Die erhältlichen Platinen haben allerdings einen Nachteil: Sie sind eigentlich für größere 18650-Zellen gedacht. Deren Kapazität ist um ein Mehrfaches höher als die der kleineren Modelle aus den E-Zigaretten. Die Kapazität, kurz mit C bezeichnet, gibt allerdings die Maximalströme beim Laden und Entladen vor. Sieht man sich Datenblätter von Lithium-Ionen-Akkus an, finden sich hier Angaben zum maximalen Lade- und Entladestrom in Vielfachen von C.
Beim Laden sind 0,2 C als typischer und 1 C als maximaler Ladestrom üblich. Das entspräche beim größten Akku, den wir fanden, 170 bis maximal 850 mA. Die Ladeschaltung ist jedoch auf 1 A eingestellt, was aber zum Glück leicht zu ändern ist. Wir müssen lediglich einen Widerstand tauschen.
Der ist mit Baugröße 0603 recht klein, die Pads sind allerdings so groß, dass problemlos ein bedrahteter Widerstand aufgelötet werden kann. Auch einen SMD-Widerstand der Baugröße 1206 konnten wir erfolgreich verlöten. Damit kann der Ladestrom auf bis zu 130 mA reduziert werden, womit wir auch bei den kleinsten gefundenen Zellen im grünen Bereich sind.
Beim Überstromschutz ist ein Umbau allerdings nicht so einfach. Den Strom misst der DW01-P über einen Spannungsteiler aus einem Widerstand sowie den beiden Mosfets, die bei Überstrom und Über- oder Unterspannung den Minuspol des Akkus von der Schaltung trennen. Auf den gängigen Platinen ist die Strombegrenzung auf 3 Ampere eingestellt, was bei einem der mit 370 mAh Kapazität kleinsten Akkus, die wir fanden, 8 C entspräche. Laut dessen Datenblatt wäre das tatsächlich sogar der Maximalstrom, für andere Modelle finden wir aber deutlich niedrigere Angaben von teils nur 2 C.
Beim Einsatz der Akkus sollten wir also darauf achten, ihnen keine zu hohen Ströme zuzumuten. Dennoch bleiben damit noch einige Einsatzmöglichkeiten.
Für Lichterketten, Mikrocontroller ...
Zuerst kommt in den Sinn, bislang batteriebetriebene Produkte mit den gesammelten Akkus auszustatten. Um unsere Wohnung weihnachtlich zu schmücken, haben wir dafür batteriebetriebene LED-Lichterketten besorgt. Beim Umbau muss allerdings die höhere Zellspannung beachtet werden: Während zwei neue AA- oder AAA-Batterien auf eine Leerlaufspannung von knapp über 3 Volt kommen, werden Lithium-Ionen-Akkus üblicherweise auf 4,2 Volt geladen.
Ihre Zellspannung sinkt dann schnell auf die Nennspannung ab. Bei gängigen Zellen liegt sie bei 3,7 Volt, die Zelle hält sie über den Großteil ihrer Kapazität annähernd. Die vollen 3,7 Volt sind allerdings für die LEDs unserer Lichterketten sehr viel. Bereits bei 3,3 Volt sind sie uns subjektiv zu hell.
Es fließt zudem ein Strom von rund 120 mA, so dass die kleinen Akkus nach wenigen Stunden leer wären. Die Lösung ist entweder ein Vorwiderstand zur Strombegrenzung oder ein Spannungsregler. Wir entscheiden uns für die einfache Variante. Mit knapp 70 mA gefällt uns die Helligkeit, bei 3,7 Volt bräuchten wir rechnerisch einen Vorwiderstand mit etwa 53 Ω. Die 56-Ω-Widerstände, die wir da haben, passen da ziemlich gut.
Akku und Vorschaltplatine haben wir, nachdem wir den Widerstand und ein Ende der Lichterkette angelötet hatten, wenn auch etwas hemdsärmelig, wieder in die Batteriebox verpackt. Besser wäre natürlich ein auf die Akkuzelle und die Vorschaltplatine angepasstes Gehäuse, etwa aus dem 3D-Drucker.
Mikrocontroller ohne Leine
Etwas anders sieht die Situation etwa beim Raspberry Pi Pico aus. Dessen Schaltnetzteil sorgt für eine Spannung von 3,3 Volt, das Mikrocontroller-Board kann mit Eingangsspannungen zwischen 1,8 und 5,5 Volt betrieben werden. Dafür stecken wir den Pluspol (OUT+) der Vorschaltplatine an den VSYS-Pin des Boards, den Minuspol (OUT-) an einen der Masse-Pins. Soll das Board noch per USB an einen Computer angeschlossen werden, muss zudem sichergestellt werden, dass von dort kein Strom in den Akku fließen kann.
Das Datenblatt des Raspberry Pi Pico (PDF)(öffnet im neuen Fenster) nennt dazu zwei Varianten: Es wird entweder eine Zenerdiode oder ein P-Kanal-Mosfet zwischen Pluspol und VSYS-Pin geschaltet. Die Zenerdiode lässt nur Strom durch, wenn an VSYS eine niedrigere Spannung anliegt als die des Akkus, andernfalls sperrt sie. Die USB-Versorgungsspannung (VBUS) wird auf der Platine des Pico ebenfalls über eine Zenerdiode an VSYS geleitet. Eine der Dioden sperrt immer.
Der Mosfet ist die elegantere Lösung, sein Gate wird, wie oben gezeigt, mit VBUS verbunden. Liegt hier eine Spannung an, sperrt der Mosfet, andernfalls leitet er. Diese Variante erlaubt es zudem, den Akku über den USB-Anschluss des Pico zu laden. Dazu wird VBUS mit dem USB-Plus-Pol (+) der Vorschaltplatine verbunden, meist ist dazu ein eigener Kontakt vorhanden. Der USB-Masseanschluss der Platine (-) wird mit einem der Masse-Pins des Pico verbunden. Als dritte Variante könnte noch die Zenerdiode auf dem Raspberry Pi Pico ausgelötet werden, so dass VBUS nicht auf VSYS geführt wird.
Geht das vielleicht auch noch eine Nummer größer?
... USV, Powerbank - und Fahrräder?
Wir haben noch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USB) für einen Single Board Computer (SBC) wie den Raspberry Pi im Kopf. Die ist aber aufwendiger zu realisieren, da noch ein Boost-Wandler erforderlich ist, um die benötigte Versorgungsspannung von 5 Volt bereitzustellen. Zudem würde der deutlich höhere Energiebedarf eines SBC den kleinen Zellen einiges abverlangen. Selbst ein Pi Zero 2 W zieht im Normalbetrieb fast 500 mA Strom aus dem Akku.
Die Idee, mehrere Zellen parallel zu verschalten, um die einzelne weniger zu belasten, liegt da nahe. Das funktioniert, dabei ist allerdings Vorsicht geboten: Die Zellen müssen ziemlich genau die gleiche Spannung haben, andernfalls gleichen sie Differenzen bei Kontakt aus, wobei hohe Ströme fließen - was Lithium-Ionen-Akkus bekanntermaßen nicht mögen und mit Selbstzerstörung bestrafen können.
Da die Zellen unterschiedliche Ladeschlussspannungen haben können, ist es nicht unbedingt sinnvoll, sie vollzuladen. Besser wäre es, sie etwa alle auf 3,7 Volt zu laden. Auch sollten gleiche Zellen, also etwa aus identischen Vapes einer Marke, verwendet werden, um ein ähnliches Entladeverhalten zu erreichen.
Reihenschaltung braucht andere Elektronik
Anstatt einen Boost-Wandler zu nutzen, könnten wir auch zwei Zellen in Reihe schalten, wodurch sich ihre Spannung addiert. Hierfür ist allerdings eine andere Vorschaltplatine mit anderem Laderegler erforderlich, da die Zellen unterschiedlich schnell laden können. Daher müssen Ladungsunterschiede regelmäßig ausgeglichen werden, was als Balancing bezeichnet wird. Ähnliches Verhalten kann auch beim Entladen auftreten, weshalb die einzelnen Zellen individuell überwacht werden müssen.
Die Spannung einer von beiden kann schneller abfallen als die der anderen, was bei einer Überwachung der Gesamtspannung nicht auffällt - zumal der bereits erwähnte DW01-P lediglich für die Überwachung einer Zelle ausgelegt ist. Mit mehr als 4,2 Volt kann er nichts anfangen. Auch für die Reihenschaltung von zwei Zellen werden passende Vorschaltplatinen angeboten, die neben den Plus- und Minuspolen für die Akkus noch einen Balancing-Anschluss haben.
Es geht noch größer
Der britische Youtuber Chris Doel hat noch eine Nummer größer gedacht: Er hat einen kompletten Fahrradakku mit aus E-Zigaretten entnommenen Lithium-Ionen-Akkus gebaut . In dem sind jeweils zehn Zellen parallel geschaltet, dreizehn dieser Pakete wiederum in Reihe.
Das funktioniert nur in Verbindung mit einem Batteriemanagementsystem und war, wie sein Video zeigt, eine Menge Arbeit. Zudem hatte Doel sich gezielt ausschließlich Vapes einer Marke besorgt, von denen er wusste, dass sie einen Akku mit besonders hoher Kapazität enthalten.
Nach eigener Aussage arbeitet Doel auch an einem Design für eine Open-Source-Powerbank - gebaut mit Akkuzellen aus E-Zigaretten. Mit den kostenlosen Zellen lässt sich also einiges anfangen. Möglicherweise geht das aber nicht mehr lange, denn der Bundesrat hat sich im November 2024 für ein Verbot der Einweg-Vapes(öffnet im neuen Fenster) ausgesprochen - jedoch bereits zum zweiten Mal. Beschließen müsste ein entsprechendes Gesetz zunächst der Bundestag, wo es erst einmal eingebracht werden müsste.
Spätestens ab 2027 kommt das definitive Aus(öffnet im neuen Fenster) durch die Batterieverordnung der EU. Doel wird bereits in weniger als einem halben Jahr(öffnet im neuen Fenster) der Nachschub ausgehen - was aus Perspektive der Nachhaltigkeit und des Umweltschutzes definitiv zu begrüßen ist.