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Akkumulator

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Ni-MH-Akkumulator

Ein Akkumulator (auch: Akku, Sekundärzelle, veraltet: Sammler) ist ein Speicher für elektrische Energie, meist auf Basis eines elektrochemischen Systems, also eine wiederaufladbare oder Sekundär-Zelle.

Funktionsweise

In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle).

Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird Wärme frei, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet.

Die von einer elektrochemischen Zelle erreichte elektrische Nennspannung hängt von der Art der verwendeten Materialien ab.

Verwendung

Akkumulatoren kommen zur Anwendung, wo ein zeitweise oder gänzlich netzunabhängiger Betrieb von elektrischen und elektronischen Geräten erforderlich oder gewünscht ist.

Bereiche für den Betrieb netzferner Verbraucher sind beispielsweise Hütten in ländlichen Gegenden (ca. ein Drittel der Menschheit wird auf absehbare Zeit nicht an elektrische Netze angebunden sein), die nur über Solarzellen, Wind- oder Dieselgeneratoren versorgt werden. Hierzu zählen auch Telemetrie-Einrichtungen und Automaten, für die eine Netzanbindung zu kostspielig ist.

Ein bedeutendes Anwendungsgebiet von Akkumulatoren sind die sogenannten Starterbatterien für die Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen. Sie liefern über einen Anlasser die zum Start der Motoren (Diesel- und Ottomotoren sowie Gasturbinen) erforderliche mechanische Energie. Nach dem Start werden sie über die Lichtmaschine oder einen Anlassgenerator wieder geladen und dienen nun lediglich dem Ausgleich von Belastungsschwankungen des Bordnetzes.

Kraftfahrzeuge, Schiffe und sogar kleine Flugzeuge können auch ausschließlich elektrisch aus Akkumulatoren betrieben werden, dafür geeignete Akkumulatoren werden als Traktionsbatterien bezeichnet. Einen kombinierten Betrieb mit Elektromotor und Verbrennungsmotor nennt man Hybridantrieb. Beide Einsatzgebiete von Akkumulatoren erfahren gegenwärtig eine starke Entwicklung.
Auch konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus einem Dieselmotor (Benutzung zum Fahren und Laden bei ungetauchter Fahrt) und einem Akkumulator (Tauchfahrten).

Akkumulatoren dienen auch zur Überbrückung von Unterbrechungen in der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Notstromversorgung abzusichern gilt, sind z. B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Für Anlagen mit hoher Leistung werden Dieselgeneratoren eingesetzt. Bis diese die dafür nötige Drehzahl erreicht haben, übernimmt die meist mit Bleiakkumulatoren betriebene, viel schneller auf Spannungsunterbrechungen reagierende USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) die Energieversorgung.

Typen

Datei:Bleigelakku.jpg
Blei-Gel-Akkumulator

Die Akkumulatortypen werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

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, was vordergründig nicht mit dem Begriff Kapazität z.B. der eines Kondensators vereinbar erscheint. Tatsächlich bezieht sich diese Angabe stillschweigend genau auf den gesamten Betriebsspannungsbereich des Akkumulators (z.B. 44Ah/3V), womit im Ergebnis eine qualitative Übereinstimmung mit der elektrischen Kapazität besteht.

Die entnehmbare Kapazität hängt vom Entladeverfahren ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung des Akkus (der Spannung bei der die Entladung beendet wird), und selbstverständlich vom Ladezustand. Es sind verschiedene Entladeverfahren üblich, u.a.: Entladung mit konstantem Strom, Entladung über konstanten Widerstand oder Entladung mit konstanter Leistung. Je nach Entladeverfahren besitzt der Akku eine andere Kapazität. In einer sinnvollen Angabe der Nennkapazität müssen daher Entladestrom und Entladeschlussspannung mit aufgeführt werden.

Generell nimmt die entnehmbare Kapazität eines Akkumulators mit zunehmendem Entladestrom ab. Grund hierfür sind sowohl die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand des Akkus als auch die Tatsache, dass die chemischen Prozesse im Akku mit begrenzter Geschwindigkeit ablaufen. Die Verringerung der entnehmbaren Kapazität mit zunehmendem Entladestrom ist stark abhängig vom Akkutyp.

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 zu Entladeschlussspannung entladen wird. Multipliziert man die Nennkapazität mit der Nennspannung (Nominal-Spannung), so erhält man den Energiegehalt in Wattstunden (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 meist aus sechs Zellen für insgesamt 12 Volt Nennspannung besteht.

Beim Aufladen kommen, je nach Akkutyp, verschiedene Ladeverfahren zur Anwendung. 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 Lade-Kapazität 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 vollständig geladenem Akku ab.

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 Selbstenladung hängt von Typ und Alter des Akkus sowie von der Lagertemperatur ab.

Für die Lagerung von Akkus wird meistens folgendes empfohlen:

  • Li-Ion: Ladezustand 60%, 15°C.
  • Blei: 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 100%. Selbstentladung monatlich um 15-25%
  • NiCd: Ladezustand 0%. Selbstentladung monatlich um 20%

Sanyo hat im August 2006 einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf dem Markt gebracht, der eine Selbstentladung von lediglich 15% pro Jahr haben soll. Ob dieses Versprechen eingehalten werden kann, werden Kurz- und Langzeittests herausfinden. Ähnliche Akkus hat Uniross unter dem Namen Hybrio 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, wieviel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Masse (zum Beispiel kg) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, herkömmliche Bleiakkus erreichen hier ca. 60 Wh/kg, Li-Ion-Akkus ca. 120-220 Wh/kg.
  • Die volumetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wieviel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Volumen (zum Beispiel Liter) liefern kann. Hier liegt der Wert für herkömmliche Bleiakkus bei ca. 50 Wh/l, Li-Ion-Akkus ca. 500 Wh/l.
  • Der maximal mögliche Entladestrom. Er ist wichtig für alle Anwendungen, bei denen kurzzeitig sehr hoher Leistungsbedarf besteht. Dies ist zum Beispiel beim Starten von Fahrzeugmotoren der Fall, aber auch bei Elektrowerkzeugen und Autofocus-Kameras, insbesondere mit integrierten Blitzgeräten.
  • Die möglichen Abmessungen 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 tritt abhängig vom Lade- und Entladeverfahren auf und führt zu erheblichen Verringerungen der Kapazität. In Anwendungen, bei denen der Akku nicht regelmäßig vollständig entladen und wieder voll aufgeladen wird, sollten deshalb Akku-Arten verwendet werden, die für den Memory-Effekt nicht anfällig sind, zum Beispiel Blei-Akku.

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 Grenzen fließend sind:

  • Bleiakku: Fahrzeugbatterien, 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, 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, Thermometer, Feuermelder, selten benutzte Waagen.

Alternativ zu Akkus werden heute zunehmend Brennstoffzellen als Energieträger diskutiert, da diese ein deutlich geringeres (günstigeres) Leistungsgewicht haben. Die höheren Kosten beschränken den Einsatz nach bisheriger Planung aber auf hochwertige Geräte wie Laptops.

Siehe auch

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 0-071-35978-8
  • 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. In: Chemie in unserer Zeit (ISSN 0009-2851), 33. Jg. 1999, Heft 5, S. 252-266 und Heft 6, S. 320-332
  • Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen, Printyourbook 2006, ISBN 9783939359111
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