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Kapazität (galvanische Zelle)

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Ein Akkumulator, oder kurz Akku, ist ein Speicher für elektrische Energie, meist auf Basis eines elektrochemischen Systems, also eine wiederaufladbare oder Sekundär-Batterie.

Ni-MH Akkumulator

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 umgewandelt (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 dort zur Anwendung, wo ein zeitweise oder gänzlich netzunabhängiger Betrieb von elektrischen und elektronischen Geräten erforderlich ist, oder um Unterbrechungen in der stationären Energieversorgung zu überbrücken. Wichtige Bereiche, die es abzusichern gilt sind z.B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Für Anlagen mit hoher Leistung werden Dieselgeneratoren eingesetzt. Bis diese aber ihre Drehzahl erreicht haben, übernimmt die mit Akkumulatoren betriebene, viel schneller auf Spannungsunterbrechungen reagierende USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) die Energieversorgung. Bereiche für den Betrieb netzferner Verbraucher sind beispielsweise Hütten in ländlichen Gegenden (ca. 1/3 der Menschheit wird nicht auf absehbare Zeit an elektrische Netze angebunden werden), die nur über Solar-, Wind- oder Dieselgeneratoren versorgt werden, Kraftfahrzeuge sowie Telemetrik und Automaten, für die eine Netzanbindung zu kostspielig ist.

Typen

Die Akkumulatortypen werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

Ladungsmenge und Kapazität

Die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann, wird in Amperestunden (Ah) angegeben und als "Kapazität" (Nennkapazität) bezeichnet (nicht zu verwechseln mit der Kapazität eines Kondensators, die anders definiert ist).

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.

Li-ion Akku für Digitalkameras

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 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 folgendes empfohlen:

  • Li-Ion: Ladezustand 40%, möglichst kühl lagern.
  • Blei: Ladezustand 100%, möglichst kühl lagern. Selbstentladung monatlich 5-10 % (Blei-Säure) bzw. 2-5% (Blei-Gel), ein längere Zeit entladener Akku ist zerstört
  • NiMH: Ladezustand 100%. Selbstentladung monatlich um 30 %
  • NiCd: Ladezustand 0%. Selbstentladung monatlich um 20 %

(Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf Raumtemperatur)

Auswahl

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 (z.B. kg) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, herkömmliche Bleiakkus erreichen hier ca. 60 Wh/kg, Li-Ion-Akkus ca. 120-200 Wh/kg.
  • Die volumetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wieviel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Volumen (z.B. 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 Energiebedarf besteht. Dies ist zum Beispiel beim Starten von Fahrzeugmotoren der Fall, aber auch bei Elektrowerkzeugen.
  • 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 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, z.B. 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, portable elektronische Geräte mit kurzzeitig hoher Stromaufnahme (Foto-Blitzgeräte)
  • NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme
  • Li-Ion-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Kameras)

Siehe auch

Literatur

  • Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren - Mobile Energiequellen für heute und morgen. Springer, Berlin 1998 ISBN 3-540-62997-1
  • David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002 ISBN 0-071-35978-8
  • Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien – Teil I: Akkumulatoren mit wäßriger Elektrolytlösung. Chemie in unserer Zeit 33(5), S. 252-266 (1999), Wiley-VCH Verlag GmbH, ISSN 0009-2851
  • Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien – Teil II: Akkumulatoren mit nichtwäßriger Elektrolytlösung. Chemie in unserer Zeit 33(6), S. 320-332 (1999), Wiley-VCH Verlag GmbH, ISSN 0009-2851


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