Kapazität (galvanische Zelle)

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Die Kapazität einer Batterie oder eines Akkumulators – nachfolgend zusammengefasst nur als „Batterie“ bezeichnet – gibt die Menge an elektrischer Ladung an, die eine Batterie nach der Herstellerangabe liefern bzw. speichern kann. Sie wird angegeben:[1]

oder

  • als Reservekapazität Cr,n in Minuten (min); dann handelt es sich genau genommen um den Kehrwert des C-Faktors, s. u.

Die Kapazität einer Batterie im oben genannten Sinn darf dabei nicht mit der elektrischen Kapazität eines Kondensators (auch Batterien haben eine elektrische Kapazität) verwechselt werden, die in Amperesekunden pro Volt (As/V) bzw. der Einheit Farad (F) angegeben wird.

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die entnehmbare Kapazität einer Batterie hängt vom Entladeverlauf ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung (der Spannung, bei der die Entladung beendet wird) und vom Entladungsgrad. Es ergeben sich verschiedene Entladungsarten:

  • Entladung mit konstantem Strom
  • Entladung über konstanten Widerstand
  • Entladung mit konstanter Leistung
  • u. v. a. m.

Je nach Entladeverlauf besitzt der Akkumulator 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 einer Batterie mit zunehmendem Entladestrom ab. Dieser Effekt wird durch die Peukert-Gleichung beschrieben. Verantwortlich hierfür ist unter anderem der mit steigendem Strom zunehmende Spannungsabfall am Innenwiderstand der Batterie, der die Ausgangsspannung entsprechend absinken lässt, so dass die Entladeschlussspannung früher erreicht wird. Neben dem Innenwiderstand ist auch die begrenzte Geschwindigkeit der elektrochemischen Prozesse und Ladungstransportvorgänge in der Batterie für ihre sinkende Kapazität bei erhöhtem Entladestrom verantwortlich.

Wird nach einer anfänglichen Schnellentladung die Stromentnahme aber auf das Niveau einer Normalentladung reduziert, kann praktisch dieselbe Strommenge entnommen werden wie bei einer Normalentladung von Anfang an. Bei Akkumulatoren kann ein solcher Betrieb, bei dem mit nachlassender Akkuladung auch die Stromentnahme reduziert wird, aber nur in wenigen Fällen realisiert werden.

Um die Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren zu beziffern, werden beim Aufladen z. T. typspezifische Ladeverfahren verwendet. Der Ladevorgang selbst wird durch einen Laderegler gesteuert.

Die Art der Zusammenschaltung mehrerer Batterien hat Einfluss auf die maximal entnehmbare Ladungsmenge (Kapazität) und die zur Verfügung stehende elektrische Spannung: so addieren sich bei der Reihenschaltung die Spannungen der einzelnen Batterien, hingegen bei der Parallelschaltung die Ladungsmengen.

Abnahme während der Nutzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Akkumulatoren nimmt die Kapazität mit der Zeit auch bei sachgemäßer Nutzung aufgrund von chemischen Reaktionen (Alterung) ab. Dies wird auch als Degradation bezeichnet.

Zum einen kommt es durch die Lade- und Entladevorgänge an den Elektroden zu (nur teilweise reversiblen) elektrochemischen Vorgängen, die eine vollständige Aufladung oder Entladung behindern:

Zum anderen stellen Nutzung und Lebensdauer meist gegensätzliche Anforderungen. Während die Belastbarkeit bei höheren Temperaturen durch die bessere Elektronenbeweglichkeit zunimmt, führt dies durch die höhere Reaktionsfähigkeit der Elektrodenmaterialien auch zu abnehmender Lebensdauer und Kapazität.

Entsprechend dem Wear Level, der Abnutzung des Akkumulators, sinkt im Verlauf der Nutzung die Ladekapazität und damit auch die Energiedichte. Die Lebensdauer von Akkumulatoren gibt die Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen an, nach der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Ladekapazität hat (im Allgemeinen 80 % der Nennkapazität). Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwerte an.

Als Indiz für die verbleibende Qualität eines Akkumulators kann die Leerlaufspannung dienen, die bei einem vollständig geladenen Akkumulator im Laufe der Lebensdauer ebenfalls sinkt.

C-Faktor[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Allgemeine Beschreibung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der C-Faktor (englisch C factor) ist eine umgangssprachliche Quantifizierung von Akkumulatoren, um die maximal zulässigen Lade- und Entladeströme unter bestimmten Randbedingungen anzugeben. Er ist definiert als der Quotient aus diesem Strom und der Kapazität des Akkumulators:

da dieser Quotient für einen gegebenen Akkumulatortyp und eine gegebene Bauform über weite Bereiche der absoluten Kapazität konstant ist.

Die Dimension des C-Faktors ist:

.

Die zugehörige SI-Einheit ist demnach s−1. In der Praxis wird jedoch fast ausschließlich in angegeben.

Der C-Faktor gibt den Kehrwert der Zeit an, für die ein Akku der genannten Kapazität mit dem maximalen Entladestrom entladen werden kann.

Für die entladestromabhängige Kapazität (siehe auch Peukert-Gleichung) haben sich diese zeitabhängige Angaben eingebürgert. So gibt die -Kapazität die verfügbare Ladungsmenge an, wenn der Akkumulator innerhalb von 20 Stunden mit einem gleichmäßigen Entladestrom bis zur Entladeschlussspannung entladen wird.

Multipliziert man die sich dabei ergebende Nennkapazität (in dem Zusammenhang auch als K20 bezeichnet) mit der Nennspannung (Maßeinheit: Volt), so ergibt sich der Energiegehalt (Maßeinheit: Wattstunde):[2]

Beispiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die übliche, formal jedoch nicht korrekte Schreibweise „Der maximale Entladestrom ist 15 C.“ bedeutet:

d. h., der betrachtete Akku kann 4 Minuten lang mit seinem maximalen Entladestrom entladen werden.

Bei einer Kapazität

folgt daraus:

d. h. der maximale Entladestrom des Akkus über die o. g. Zeitspanne beträgt gerade 45 A.

Analog dazu führt die Angabe „Entladung mit C/20“ beim gleichen Akkumulator auf den Entladestrom, den er 20 Stunden lang bereitstellen kann (jeweils mit linearem Faktor 300 im Vergleich zu den vorher ermittelten Werten; Peukert-Gleichung noch nicht berücksichtigt):

Und entsprechend bedeutet die Angabe „Ladestrom 2 C“ bei dieser Zelle, dass sie mit maximal 6 A geladen werden sollte.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. DIN EN 60095-1 Blei-Starterbatterien – Teil 1: Allgemeine Anforderungen und Prüfungen (Jan 1995)
  2. Konrad Reif: Batterien, Bordnetze und Vernetzung. Vieweg +Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-1310-7, S. 57.