Akkumulator

12-V-„Autobatterie“ aus sechs Sekundärzellen

NiMH-Akkumulator im Standardformat „AA“

Lithium-Ionen-Akku mit elf in Reihe geschalteten Zellen, Klemmenspannung: 40 Volt

Ein Akkumulator (auch: Akku; veraltet: Sammler) ist ein Speicher für elektrische Energie, meistens auf Basis eines elektrochemischen Systems. Der Plural heißt Akkumulatoren (Akkus). Er besteht aus einer oder mehreren wiederaufladbaren Sekundärzellen. Mehrere Zellen können dabei zur Erhöhung der Gesamtspannung in Reihe geschaltet werden oder zur Erhöhung der Kapazität parallel. HAHAHA

Funktionsweise

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie gewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle). Die von einer elektrochemischen Zelle typische elektrische Nennspannung hängt von der Art der verwendeten Materialien ab.

Verwendung

Akkumulatoren werden zumeist verwendet, wenn ein elektrisches oder elektronisches Gerät ohne dauerhafte Verbindung zum festen Stromnetz oder zu einem Generator betrieben werden soll. Da sie teurer als nicht wiederaufladbare Primärbatterien sind, kommen sie vor allem in solchen Geräten zum Einsatz, die regelmäßig benutzt werden und einen nicht nur verschwindenden Strombedarf haben, wie Mobiltelefonen, Laptops oder Akkuwerkzeug.

Auch in Kraftfahrzeugen dient ein Akku in Form der Starterbatterie dazu, Strom für Licht, Bordelektronik und vor allem den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors zu liefern, so lange dieser nicht läuft. Sobald der Motor läuft, wird der Akku über den in der Lichtmaschine eingebauten Generator wieder aufgeladen. Ähnliches gilt für Schiffe und Flugzeuge.

Akkus kommen auch zum Einsatz, um Schwankungen bei der regenerativen Erzeugung von Strom mit Wind und/oder Sonne auszugleichen, wenn sich eine abgelegene Verbrauchsstelle nicht oder nur zu unverhältnismäßigen Kosten an das Stromnetz anschließen lässt. Oft sind solche Verbrauchsstellen zusätzlich noch mit einem Notstromaggregat ausgerüstet, das einspringt, bevor die Ladung der Akkus z.B. nach mehrtägiger Windstille komplett zur Neige geht. Beispiele für solche Installationen sind nicht nur abgelegene Hütten, Mobilfunk-Basisstationen in wenig entwickelten Regionen oder Weltraum-Satelliten, sondern zum Beispiel auch viele Parkscheinautomaten, bei denen ein Anschluss ans Stromnetz teurer käme als die Installation von Solarzelle und Akkumulator.

Ein Gebiet, das sich aktuell in der Entwicklung befindet, ist der elektrische Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen oder gar kleinen Flugzeugen mit sogenannten Traktions-Akkumulatoren (Traktionsbatterien). Einen kombinierten Betrieb mit Elektromotor und Verbrennungsmotor nennt man Hybridantrieb. Auch konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus einem Dieselmotor (Benutzung zum Fahren und Laden bei ungetauchter Fahrt) und einem Akkumulator (Tauchfahrten).

Akkumulatoren dienen in Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) auch zur kurz- bis mittelfristigen Überbrückung von Ausfällen in der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Notstromversorgung abzusichern gilt, sind z. B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Werden hohe Leistungen benötigt, wird oft noch ein Dieselgenerator zusätzlich installiert; die Akkus übernehmen dann die Versorgung nur so lange, wie der Dieselgenerator zum Anspringen und Erreichen der Nenndrehzahl benötigt. Da die so zu überbrückende Zeit nur kurz ist, können dafür auch andere Systeme als Akkumulatoren eingesetzt werden, insbesondere auf der Basis von Schwungmassen oder gar Kondensatoren.

Typen

Datei:Bleigelakku.jpg

Blei-Gel-Akkumulator

Die Akkumulatortypen werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

• Pb – Bleiakku (2 V Nennspannung/Zelle)
• NiCd – Nickel-Cadmium-Akku (1,2 V Nennspannung/Zelle)
• NiH₂ – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (1,2 V Nennspannung/Zelle)
• NiFe – Nickel-Eisen-Akku (1,2–1,9 V Nennspannung/Zelle)
• Li-Ion – Lithium-Ionen-Akku (3,62 V Nennspannung/Zelle)
• LiPo – Lithium-Polymer-Akku (3,7 V Nennspannung/Zelle)
• LiFe – Lithium-Metall-Akku
• LMP - Lithium-Metall-Polymer-Akku (neueste Akku-Technologie von DBM-technology, Berlin)
• Li-Mn – Lithium-Mangan-Akku (3,6 V Nennspannung/Zelle)
• LiFePO₄ – Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator (3,2 V Nennspannung/Zelle)
• LiTi – Lithium-Titanat-Akku
• LiS - Lithium-Schwefel-Akkumulator
• RAM – Rechargeable Alkaline Manganese (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• PTMA – modifiziertes PTMA, genauer: 2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxy-4-yl-Methacrylat, ein umweltverträgliches organisches Polymer
• Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie (Markenbezeichnung: Zebra-Batterie ) (2,58 V Nennspannung/Zelle)
• SCiB – Super Charge Ion Battery
• Silber-Zink-Akku (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• Vanadium-Redox-Akkumulator
• Zink-Brom-Akku (1,76 V Nennspannung/Zelle)

Energiedichte und Wirkungsgrad

Für viele Anwendungen, insbesondere für mobile Geräte und Fahrzeuge, ist die Energiedichte sehr wichtig. Je höher diese ist, desto mehr Energie kann in einem Akku eines bestimmten Gewichts gespeichert werden. Oft sind Akkus mit besonders hoher Energiedichte aber überproportional teuer oder weisen auch andere nachteilige Eigenschaften auf, insbesondere beschränkte Lebensdauer. So kosten Bleiakkus typischerweise 100 €/kWh; Li-Ion-Akkus hingegen typischerweise 1000 €/kWh.

Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird Wärme freigesetzt, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Generell sinkt der Ladewirkungsgrad sowohl durch Schnellladung als auch durch schnelle Entladung, da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen.

Akkumulatortyp	Energiedichte [Wh/kg]	Wirkungsgrad	Besonderheit
Bleiakkumulator	30	60–70 %
Lithium-Ionen-Akkumulator	120–190	90 %	neuere Modelle schnellladefähig
Lithium-Polymer-Akkumulator	140	90 %
Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator	80-100	90 %	schnellladefähig, hochstromfähig
Lithium-Titanat-Akkumulator	70–90	90–95 %	schnellladefähig
Lithium-Schwefel-Akkumulator	350-500	?	hohe Energiedichte
Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator (Zebra-Batterie)	100–120	80–90 %	300 °C Betriebstemperatur
Natrium-Schwefel-Akkumulator	120	89 %	300 °C Betriebstemperatur, keine Selbstentladung
Nickel-Cadmium-Akkumulator	40–60	70 %	EU-weit verboten
Nickel-Metallhydrid-Akkumulator	60–110	70 %
Nickel-Wasserstoff-Akkumulator		75%

Ein Vergleich zur Speicherung elektrischer Energie zeigt die Vor- und Nachteile von Akkus gegenüber anderen Speicherverfahren.

Ladungsmenge und Kapazität

Li-Ionen-Akku für Digitalkameras

Die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann, wird in Amperestunden (Ah) angegeben und als „Kapazität“ (Nennkapazität) bezeichnet. Diese darf nicht verwechselt werden mit der Kapazität eines Kondensators, die in Amperesekunde pro Volt (As/V) definiert ist und in der Einheit Farad (F) angegeben wird.

Die beim Akku entnehmbare Kapazität hängt vom Entladeverlauf ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung des Akkus (der Spannung, bei der die Entladung beendet wird), und selbstverständlich vom Ladezustand. Es ergeben sich verschiedene Entladungsarten: u. a.: Entladung mit konstantem Strom, Entladung über konstanten Widerstand oder Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverlauf besitzt der Akku eine andere Kapazität. In einer aussagekräftigen Angabe der Nennkapazität müssen daher sowohl der Entladestrom als auch die Entladeschlussspannung angegeben werden.

Generell nimmt die entnehmbare Kapazität eines Akkumulators mit zunehmendem Entladestrom ab. Der Grund hierfür sind die mit steigendem Strom zunehmenden Verluste am Innenwiderstand des Akkus, die die Ausgangsspannung entsprechend absinken lassen, so dass die Entladeschlussspannung entsprechend früher erreicht wird. Reduziert man nach einer anfänglichen Schnellentladung die Stromentnahme aber auf das Niveau einer Normalentladung, kann praktisch dieselbe Strommenge entnommen werden, wie bei einer Normalentladung von Anfang an. Ein solcher Betrieb, bei dem mit nachlassender Akkuladung auch die Stromentnahme reduziert wird, ist aber nur in wenigen Fällen möglich.

Für die entladestromabhängige Kapazität haben sich zeitabhängige Angaben eingebürgert. So gibt die C20-Kapazität die verfügbare Energiemenge an, wenn der Akku innerhalb von 20 Stunden mit einem gleichmäßigen Entladestrom bis zur Entladeschlussspannung entladen wird. Multipliziert man die Nennkapazität (Maßeinheit: Ah) mit der Nennspannung (Maßeinheit: Volt), so ergibt sich der Energiegehalt (Maßeinheit: Wh).

Um die Spannung zu vervielfachen, werden mehrere Zellen gleicher Kapazität in Reihe geschaltet. Die Zellen können dabei in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst werden, wie es zum Beispiel bei der Fahrzeug-Starterbatterie üblich ist, die üblicherweise aus sechs Zellen für insgesamt 12 V Nennspannung besteht. Mechanisch und elektrisch verbundene Akkumulatoren werden auch Akkupack genannt.

Beim Aufladen werden, je nach Akkutyp, verschiedene Ladeverfahren verwendet. Der Ladevorgang wird dabei durch einen Laderegler gesteuert.

Die Haltbarkeit bzw. Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren wird mit der Zahl von Lade-Entlade-Zyklen angegeben, nach der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Ladekapazität (80 %) hat. Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwerte an.

Die Leerlaufspannung kann als Indiz für die Qualität eines Akkumulators dienen: Im Laufe der Lebensdauer sinkt aufgrund von chemischen Reaktionen (Alterung) die Leerlaufspannung bei einem vollständig geladenem Akku ab.

Entsprechend dem Wear Level, der Abnutzung des Akkumulators, sinkt im Verlauf der Lebensdauer die Ladekapazität und damit auch die Energiedichte.

Selbstentladung – empfohlene Lagerung

Wird ein Akku nicht verwendet, so verliert er über die Zeit einen Teil seiner gespeicherten Energie. Diesen Vorgang nennt man Selbstentladung. Das Maß der Selbstentladung hängt von Typ und Alter des Akkus sowie von der Lagertemperatur ab.

Für die Lagerung von Akkus wird meistens folgendes empfohlen: (Hinweis: Der Ladezustand ist relativ gesehen zur Entladeschlussspannung. Das heißt, wenn ein Akku einen Ladezustand von 0 % aufweist, dann ist damit gemeint, dass er seine Entladeschlussspannung erreicht hat, bei NiCd- und NiMH-Akkus liegt diese z. B. bei 0,9 V bzw. 1,0 V.)

• Li-Ion: Ladezustand 60 %, 20 °C; monatlich < 2 %
• Bleiakku: Ladezustand 100 %, möglichst kühl lagern; Selbstentladung monatlich 5–10 % (Blei-Säure) bzw. 2–5 % (Blei-Gel), ein über längere Zeit entladener Akku ist zerstört
• NiMH: Ladezustand 40 %; Selbstentladung monatlich um 15–25 %
• NiCd: Ladezustand 40 %. Selbstentladung monatlich um 10 %
• Alkali-Mangan RAM-Zellen: Ladezustand 100 %; Zellspannung sollte nicht unter 1,2 V sinken

Sanyo hat im August 2006 einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf dem Markt gebracht, der einer Selbstentladung von lediglich 15 % pro Jahr unterliegt. Es handelt sich hierbei um sogenannte LSD-Akkus (Low Self Discharge), die aufgrund ihrer geringen Selbstentladung als bereits vorgeladene Akkus verkauft werden und daher im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus vor der ersten Benutzung durch den Käufer nicht aufgeladen werden müssen. Ähnliche Akkus haben Conrad Electronic unter dem Namen Endurance, Ansmann unter dem Namen maxE, XCell unter dem Namen Innovate, Uniross unter dem Namen Hybrio, GP unter dem Namen Recyko, Panasonic unter dem Namen Infinium und Varta unter dem Namen Ready2Use herausgebracht. Auch hierbei soll es sich um modifizierte NiMH-Akkus handeln, die problemlos mit jedem NiMH-Ladegerät geladen werden können.

Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf Raumtemperatur.

Auswahlkriterien

Kriterien für die Auswahl eines Akkumulatortyps für eine bestimmte Anwendung sind unter anderem:

• Die gravimetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wie viel elektrische Energie ein Akkumulator pro Masse (zum Beispiel Kilogramm) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Herkömmliche Bleiakkus erreichen hier rund 30 Wh/kg, Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus) bis zu 140 Wh/kg.
• Die volumetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wie viel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Volumen (zum Beispiel Liter) liefern kann. Hier liegt der Wert für herkömmliche Bleiakkus bei ca. 50 Wh/l, bei Li-Ion-Akkus etwa 500 Wh/l.
• Der maximal mögliche Entladestrom. Er ist wichtig für alle Anwendungen, bei denen kurzzeitig sehr hoher Leistungsbedarf besteht. Dieses ist zum Beispiel beim Starten von Fahrzeugmotoren der Fall, aber auch bei Elektrowerkzeugen und Autofocus-Kameras, insbesondere mit integrierten Blitzgeräten.
• Die möglichen Dimensionen (Abmessungen und Gewicht) und Bauformen der Akkuzelle. Sie sind entscheidend, wenn der Akku auf möglichst kleinem Raum in elektronischen Geräten integriert werden soll. Ein gasdichter Aufbau etwa eines Gelakkumulators ermöglicht den lageunabhängigen Einsatz ohne Gefahr durch auslaufenden Elektrolyt oder korrosive Gase
• Der Memory-Effekt bei NiCd oder Batterieträgheitseffekt bei NiMH tritt abhängig vom Lade- und Entladeverfahren auf und führt zu erheblichen Verringerungen der Kapazität (NiCd) oder Spannung (NiMH). In Anwendungen, bei denen der Akku nicht regelmäßig vollständig entladen und wieder voll aufgeladen wird, sollten deshalb Akku-Arten verwendet werden, die für diese Effekte nicht anfällig sind, zum Beispiel Blei-Akkus.

Aus der Anwendung der oben genannten Kriterien ergeben sich für jeden Akkutyp einige typische Anwendungsgebiete, wobei insbesondere bei NiCd-, NiMH- und Li-Ion-Akkus die Übergänge fließend sind:

• Lithium-(Nano)-Titanat-Akku: Antrieb von Elektro-Kraftwagen mit großen Reichweiten.
• Bleiakku: Starter-Batterien für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, Stationärbetrieb in Notbeleuchtungsanlagen und Insel-Fotovoltaik-Anlagen
• NiCd-Akku: Elektrowerkzeuge, Antriebe im Modellbau, portable elektronische Geräte mit kurzzeitig hoher Stromaufnahme (Foto-Blitzgeräte)
• NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme, Modellbau, Antriebe
• Li-Ion-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Notebooks, Kameras)
• Li-Po-Akku: Antriebe im Modellbau, Mobiltelefon
• Li-Mn-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für extreme Reichweiten
• Li-Fe-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für extreme Reichweiten
• kein Akku: sondern Alkalimangan-Zellen bei Anwendungen mit geringerem Energieverbrauch als 0,01 Wh/Tag, wie Uhren, Fernbedienungen, Thermometer, Feuermelder, selten benutzte Waagen.

Als alternative Strom-Spender werden Brennstoffzellen-Systeme im Zusammenhang mit Wasserstoff als Energieträger diskutiert. Brennstoffzellen erzeugen bei Wasserstoff-Zufuhr elektrische Energie. Bei Vergleichen mit Akkumulatoren muss auch das Gewicht des Treibstoff-Behälters (Wasserstoff-Flaschen) berücksichtigt werden. Zu vergleichen sind korrekter Weise Gewicht und Raumbedarf des Brennstoffzellen-Systems einschließlich Treibstoff und Behälter mit dem (voll aufgeladenen) Akku.

Konkurrierende Energiespeicher sind auch Hydraulikspeicher sowie elektrochemische Stromquellen wie die Redox-Flow-Zelle.

Abgrenzung

Kondensatoren speichern ebenfalls elektrische Energie, aber in Form von elektrischer Ladung proportional zur Spannung. Die hierbei gespeicherte Energie ist wesentlich geringer als die von Akkumulatoren oder Batterien vergleichbarer Größe. Da die Ladung in einem elektrischen Feld vorliegt und nicht an chemische Redoxreaktionen gebunden ist, kann sie bei geringem Serienwiderstand bzw. geringer Impedanz aber sehr schnell von einem Kondensator aufgenommen oder abgegeben werden. Ebenso bewirkt die Abwesenheit chemischer Prozesse, dass Kondensatoren viel häufiger geladen und entladen werden können als die meisten Akkumulatoren. Kondensatoren eignen sich somit für Anwendungen, die wiederholt kurzzeitig hohe Ladungs-Änderungen erfordern.

Literatur

• Edmund Hoppe: Die Akkumulatoren für Elektricität. Julius Springer, Berlin 1892 (Digitalisat).
• David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002. ISBN 0-07-135978-8.
• Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998. ISBN 3-540-62997-1.
• Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien. Teil 1: Akkumulatoren mit wäßriger Elektrolytlösung In: Chemie in unserer Zeit. 33, Nr. 5, 1999, S. 252–266 (doi:10.1002/ciuz.19990330503, PDF).
• Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien. Teil 2: Akkumulatoren mit nichtwäßriger Elektrolytlösung In: Chemie in unserer Zeit. 33, Nr. 6, 1999, S. 320–332 (doi:10.1002/ciuz.19990330603, PDF).
• Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Printyourbook 2006. ISBN 978-3-939359-11-1.
• DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe.

Weblinks

• Umfangreiche Informationen zum Aufbau und zur Pflege von Akkumulatoren, BatteryUniversity.com
• Informationen zu aktuellen Akkumulator-Techniken und Herstellern, akku-infos.de

Einzelnachweise

V – D

Galvanische Zellen

 Wiktionary  •  Commons  • Kategorie: Batterie