Akkumulatoren (Akkus)
Akkumulatoren, kurz Akkus, sind wiederaufladbare Energiequellen. Sie finden Anwendung in Kleingeräten, die unabhängig von der kabelgebundenen Stromversorgung betrieben werden sollen.
Akkus bestehen in der Regel aus zwei Materialien, die als Elektroden dienen und die in ein Elektrolyt getaucht sind. In diesem Zustand ist der Akku als Spannungsquelle noch unbrauchbar. Er muss zuerst aufgeladen werden, bevor nach dem Ladevorgang eine Spannung anliegt und er Strom abgeben kann.
Beim Laden wird einem Akku elektrische Energie zugeführt und in chemische Energie umgewandelt. Beim Entladen wird einem Akku elektrische Energie entzogen und dabei die chemische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt.
Jeder Akku hat eine besondere Art und Weise wie er geladen werden muss. Hierfür gibt es verschiedene Ladeverfahren, die exakt eingehalten werden müssen, weil sonst der Akku Schaden nehmen kann.
Akkus für den täglichen Gebrauch bestehen in der Regel aus Nickel-Metallhydrid (für Haushaltsgeräte und Spielzeug). Die leistungsfähigsten Akkus sind Lithium-Ionen-Akkus und Lithium-Polymer-Akkus (Wearables, Smartphones, Notebooks). Wegen dem Anstieg der geforderten Energiemenge werden an noch leistungsfähigeren Akkus geforscht, wobei es hier nur kleine Entwicklungsschritte gibt.
Definition: Akku oder Batterie
Im allgemeinen Sprachgebrauch unterscheidet man Batterien und Akkus dahingehend, dass Akkus wiederaufladbar und Batterien nicht wiederaufladbar sind. Allerdings ist diese Darstellung falsch und bedarf einer Richtigstellung.
Eine Batterie besteht nach DIN 40729 aus mindestens zwei einzelnen Zellen, die meistens elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dabei ist es unerheblich, ob diese Batterie wiederaufladbar ist oder nicht. So verwendet man den Begriff Autobatterie für eine aufladbare Batterie.
Dagegen ist Akkumulator, kurz Akku, ein galvanisches Sekundärelement und somit immer aufladbar, was die Batterie nicht zwangsläufig sein muss.
Austauschbarkeit
Die Austauschbarkeit bei Akkus wird in der Regel über die bauliche Form und Größe beeinflusst. Die Akkus des täglichen Gebrauchs sind AA- und AAA- bzw. Mignon- und Micro-Akkus. Sie weisen eine Spannung von 1,2 V auf und können auch in den meisten Geräte für 1,5V-Batterien verwendet werden. Beim Betrieb solcher Geräte muss dann berücksichtigt werden, dass die Spannung von Batterien schon nach kurzer Betriebszeit deutlich sinkt. Akkus halten Ihre Spannung im Vergleich lange konstant, bis sie leer sind.
Austauschbarkeit bedeutet aber immer auch Platzbedarf. Für das Akkufach und die entsprechende Schließvorrichtung, im Gehäuse des elektronischen Geräts. Geräte, die besonders klein oder flach sein sollen, verzichtet man aus Design-Gründen auf eine einfache Austauschbarkeit und verbaut den meist flachen Lithium-Akku fest im Gerät. Der Austausch kann dann gar nicht mehr oder nur noch von einer fachlich versierten Person vorgenommen werden.
Kapazität
Die Kapazität ist die Eigenschaft eines Bauteils eine elektrische Energie zu speichern. Bei einem Akku gibt die Kapazität an, wie viel Strom der Akku speichern kann. Die Kapazität wird in Milliamperestunden (mAh) oder Amperestunden (Ah) angegeben.
Definition: Ein Akku mit 1 Ah Kapazität kann eine Stunde lange einen Strom von 1 Ampere abgeben.
Muss er nur ein halbes Ampere abgeben reicht die Kapazität für 2 Stunden oder bei 2 Ampere für eine halbe Stunde. Umgekehrt, je höher der entnommene Strom, desto geringer ist die Laufzeit.
Laden und Entladen
Es gibt bei einem Akku drei Spannungen, die von Bedeutung sind. Da wäre die Nennspannung, die bei einem Bleiakku 12 V beträgt. Dann wäre da noch die Ladeschlussspannung, über die hinaus nicht geladen werden darf. Das wäre bei einem Bleiakku 13,8 V. Und als letztes die Entladeschlussspannung über die nicht weiter entladen werden darf, weil er sonst beschädigt wird. Bei einem Bleiakku wäre das 10 V.
Das gilt für jeden Akku, nur das die Spannungen bei jedem Akku etwas anders sind. Manchmal findet man diese Angaben auf dem Akku oder im Datenblatt des Herstellers.
Bei bestimmten Akkus ist in den Akku eine Abschaltelektronik eingebaut, die den Akku vor Tiefentladung schützt.
Energiemenge
Die Energie wird in Wattstunden (Wh) angegeben. Sie errechnet sich aus der Formel Kapazität mal Spannung. Teilt man die Energiemenge durch die verbrauchte Leistung des Geräts, so ergibt sich die Laufzeit.
Anwendung: Akku oder Batterie
Beim Betrieb wiederaufladbarer Akku- und nicht wiederaufladbarer Batterie-betriebener Geräte stellt sich immer die Frage, ob man eine Batterie oder einen Akku verwenden soll? Logisch, denkt man, einen aufladbaren Akku kann man wiederverwenden. Eine Einmal-Batterie nicht. Doch falsch gedacht. Beim Betrieb eines aufladbaren Akkus muss man dessen Eigenschaften berücksichtigen.
Blitzgeräte, Digitalkameras, mobile Geräte und ferngesteuertes Spielzeug sind üblicherweise am ehesten für Akkus geeignet. Doch wenn ein Batterie-Wechsel nur sehr selten in Frage kommt, dann lohnen sich aufladbare Akkus nicht. Denn deren Selbstentladung ist höher als bei einer Einmal-Batterie. Die Selbstentladung ist die Abnahme der Kapazität durch einen inneren Ladungsausgleich.
Die Selbstentladung schränkt die Anwendungen aufladbarer Akkus schnell ein. Geräte mit wenig Stromverbrauch oder seltener Nutzung lohnen sich Akkus wegen der hohen Selbstentladung nicht. Dazu zählen Wecker, Rauchmelder, Fernbedienungen, Waagen, Notfallleuchten oder Taschenlampen. Diese Geräte sind in der Regel mit Einmal-Batterien besser und länger versorgt. Zum Beispiel ist die Stromentnahme bei Fernbedienungen nur ganz kurz und auch nur selten. Aufladbare Akkus wären viel zu schnell leer.
Akkus lohnen sich für alle Geräte mit hohem Stromverbrauch. Oft haben diese Geräte spezielle Akkus, so das handelsübliche Batterien gar nicht in Frage kommen. Dazu zählen Digitalkameras, Spielzeuge mit Motorantrieb, Notebooks, Smartphones und Tablets.
Wenn man Batterien einmal im Monat oder öfter wechseln muss, dann sollte man Akkus verwenden. Schon der Umwelt zu liebe.
Doch auch für Geräte mit geringem Stromverbrauch und häufiger Nutzung eignen sich Akkus. Hier müsste man Batterien viel zu häufig wechseln.
Auszug aus der Batterieverordnung
Batterien und Akkus enthalten chemische Stoffe und müssen gesondert entsorgt werden. Das bedeutet, sie dürfen nicht einfach so dem Hausmüll zugefügt werden. Dazu ist unter Paragraf 7 der Batterieverordnung folgender Hinweis für Endverbraucher vermerkt.
§ 7 Pflichten des Endverbrauchers
(1) Der Endverbraucher ist verpflichtet, Batterien, die Abfälle sind, an einen Vertreiber oder an von den öffentlich-rechtlichen Entsorgungsträgern dafür eingerichteten Rücknahmestellen zurückzugeben.
Ein Vertreiber wäre ein Baumarkt oder Supermarkt, die dazu Boxen für Alt-Batterien und -Akkus aufstellen. Der öffentliche Entsorgungsträger betreibt in der Regel einen Recycling- oder Wertstoffhof in der Stadt oder Landkreis.
Übersicht: Akkus
| Bezeichnung | Aufbau | Ladeverfahren | Anwendung | Umweltbelastung |
|---|---|---|---|---|
| Blei-Akku | Bleioxid und Blei mit Schwefelsäure | I/U-Ladeverfahren | hohe Strombelastbarkeit | hoch |
| NiCd | Oxy-Nickelhydroxid und Cadmium mit Kaliumhydrid | Konstantstrom oder Reflex-Ladeverfahren Memoryeffekt |
Geräte des täglichen Bedarfs | hoch, aber recyclebar |
| NiMH | Nickel und eine Metalllegierung | Konstantstrom, kein Memoryeffekt | Geräte des täglichen Bedarfs | hoch, aber recyclebar |
| Li-Ion | Lithium-Ionen, Lithium-Polymere, Lithium-Metall | I/U-Ladeverfahren | Geräte des täglichen Bedarfs | hoch |
Blei-Akku
Blei-Akkus gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen und Bauformen. Im wesentlichen unterscheidet man offene und gasdichte Systeme.
Beim Blei-Akku muss man berücksichtigen, dass sich die Blei-Zellen pro Tag um etwa 1% entladen. Aus diesem Grund werden Blei-Akkus in der Regel nach 6 jähriger Betriebsdauer ausgetaucht. Danach kann ein störungsfreier Betrieb nicht mehr garantiert werden. Zum Beispiel in einer USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung). Nur in bestimmten Fällen kann ein Blei-Akku auch länger halten.
Nickel-Cadmium-Akku
Nickel-Cadmium-Akkus gehören mit zu den ältesten Akku-Typen der Geschichte. Es gibt sehr viele militärische, industrielle und private Anwendungen. Wegen dem geringen Innenwiderstand eignen sich Nickel-Cadmium-Akkus für Anwendungen mit extrem hohem Stromverbrauch. Und auch bei Kälte sind sie zuverlässige Energiequellen.
Neben der geschlossenen, wartungsfreien Bauform und der langen Lebensdauer kennt man sie wegen dem Memory-Effekt und des umweltschädlichen Cadmiums. Wegen letzterem wurde diese Akkus mit wenigen Ausnahmen durch Nickel-Metallhydrid-Akkus ersetzt.
Nickel-Metallhydrid-Akku
In einem Nickel-Metallhydrid-Akku ist das Cadmium (Cd) durch eine umweltverträglichere Metalllegierung ersetzt. Dieses System hat gleichzeitig auch eine höhere Energiedichte. Der entscheidende Vorteil ist, dass es keinen Memory-Effekt gibt.
Die NiMH-Zelle ist zur NiCd-Zelle spannungskompatibel, erreicht aber nicht ganz deren Strombelastbarkeit. Herkömmliche NiMH-Akkus entladen sich relativ schnell. Dafür wurden LSD-NiMH-Akkus (Low Self Discharge) entwickelt, die eine geringer Selbstentladung aufweisen.
Lithium-Akku
Der Markt von akkubetriebenen Kleinstgeräten (Wearables, Smartphones, Tablets, Notebooks) zeigt einen Trend zur Miniaturisierung. Gleichzeitig steigt der Energiebedarf solcher Geräte. Wegen der hohen Energiedichte der Lithium-Zellen sind diese besonders gut für mobile Geräte geeignet. Allerdings sind Lithium-Akkus teuer und reagieren wesentlich empfindlicher auf falsche Behandlung als andere Akkus. Sie bleiben etwa 5 Jahre mit abnehmender Kapazität funktionstüchtig.
Zwar mögen Lithium-Akkus absolut giftig für die Umwelt sein. Dafür bieten sie ein hohes Maß an Komfort.
Brennstoffzelle
Es heißt, Brennstoffzellen sind die Energiequellen der Zukunft. Doch der Gewinnungsprozess von Wasserstoff als Brennstoff ist aufwendig und alles andere als umweltschonend. Außerdem widersprechen die Power-to-Gas-Konzepte der Nutzungsweise Batterie- und Akku-betriebener Geräte.
Akku der Zukunft
In den vergangenen Jahren führte die Entwicklung zu Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus, die immer mehr Energie speichern können. Diese Energiedichte reicht aber für die Anforderungen kleiner Mobilgeräte bei weitem nicht aus.
Als Alternative wurde an Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Methanol als Brennstoff geforscht. Leider kommen die Prototypen über den Entwicklungsstatus nicht hinaus. Scheinbar begnügen sich die Hersteller auf die Entwicklung stationärer unterbrechungsfreier Stromversorgungen (USV).
Für Verbesserungen an Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus gibt es neue Impulse aus der Nanotechnologie (Arbeit mit kleinen Teilchen). Die vergangenen Erfolge haben zur Entwicklung von Lithium-Akkus geführt, mit denen man über 500 Kilometer mit einem Elektroauto fahren kann, bevor man wieder auftanken muss.
Übersicht: Knopfzellen
| Knopfzelle | Spannung | Selbstentladung | Elektrolyt | Belastbarkeit | Umweltbelastung | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Silberoxid/Zink | 1,35 Volt | 5% / Jahr | Kalilauge | hoch | gering | Uhren, Taschenrechner, Fotokameras |
| Quecksilberoxid/Zink | 1,35 Volt | 2 % / Jahr | Kalilauge | hoch | hoch | Hörgeräte, Fotokameras |
| Lithium/Manganoxid | 3,0 Volt | < 1 % / Jahr | organisches Elektrolyt | niedrig | hoch | Notebooks, Handys, Taschenrechner, Uhren |
Übersicht: Gerätezellen
| Gerätezelle | Spannung | Energie | Selbstentladung | Schnellladefähigkeit | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Nickel-Cadmium (NiCd) | 1,2 Volt | 840 Wattstunden (Wh) | 20 % / Monat | 10 Minuten | Fernsteuerungen, Mobiltelefone, Maschinen |
| Nickel-Metallhydrid (NiMh) | 1,2 Volt | 2200 Wattstunden (Wh) | 20 % / Monat | 60 Minuten | Notebooks, Mobiltelefone, Haushaltsgeräte |
| Lithium-Ionen (LiIon) | 3,6 Volt | 1800 Wattstunden (Wh) | < 10 % / Monat | 120 Minuten | Mobiltelefone, Videokameras, Notebooks |
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