Kapazität (galvanische Zelle)


Kapazität (galvanische Zelle)

Die Kapazität einer Batterie oder eines Akkumulators – nachfolgend zusammengefasst nur als „Batterie“ bezeichnet – gibt die Menge an elektrischer Ladung an, die eine Batterie liefern bzw. speichern kann. Sie wird entweder als Nennkapazität CN in Amperestunden (Einheitenzeichen: Ah) – bei einzelnen Zellen auch in Amperesekunden (As) oder Coulomb (C; 1 As entspricht 1 C) – oder als Reservekapazität Cr,n in Minuten (min) angegeben.[1]

Die Kapazität einer Batterie im obengenannten 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

Die entnehmbare Kapazität einer Batterie hängt vom Entladeverlauf ab, also vom Entladestrom, von der Entladeschlussspannung der Batterie (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 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 entsprechend früher erreicht wird. 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. Für die entladestromabhängige Kapazität haben sich zeitabhängige Angaben eingebürgert. So gibt die C20-Kapazität die verfügbare Energiemenge an, wenn der Akkumulator innerhalb von 20 Stunden mit einem gleichmäßigen Entladestrom bis zur Entladeschlussspannung entladen wird. Multipliziert man die Nennkapazität (in dem Zusammenhang auch als K20 bezeichnet) mit der Nennspannung (Maßeinheit: Volt), so ergibt sich der Energiegehalt (Maßeinheit: Wh).[2]

Bei Akkumulatoren kann ein solcher Betrieb, bei dem mit nachlassender Akkuladung auch die Stromentnahme reduziert wird, ist aber nur in wenigen Fällen möglich.

Neben dem Innenwiderstand ist auch die begrenzte Geschwindigkeit der elektrochemischen Prozesse und Transportvorgänge in der Batterie für eine sinkende Kapazität der Batterie bei erhöhtem Entladestrom verantwortlich.

Die Art der Zusammenschaltung von mehreren 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 addiert sich bei der Parallelschaltung die Ladungsmenge.

Um die Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren zu beziffern, werden beim Aufladen zum Teil Akkumulatortyp-spezifische Ladeverfahren verwendet. Der Ladevorgang selbst wird durch einen Laderegler gesteuert. 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 geladenen Akkumulator ab.

Abnahme der Kapazität während der Nutzung

Bei Akkumulatoren nimmt die Kapazität auch bei sachgemäßer Nutzung mit der Zeit ab. 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 (Bleitechnologie: Sulfatierung, Kristallbildung /Nickeltechnologie: Probleme wie Batterieträgheitseffekt, Lithiumchemie: Elektrodenalterung durch unumkehrbare parasitäre chemische Reaktionen (kalendarische Lebensdauer). 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 Lebensdauer die Ladekapazität und damit auch die Energiedichte. Die Haltbarkeit bzw. Brauchbarkeitsdauer von Akkumulatoren wird mit der Zahl von Lade-Entlade-Zyklen angegeben, nach der der Akkumulator nur noch eine bestimmte Ladekapazität (im Allgemeinen 80 %) hat. Die Normen DIN 43539 Teil 5 und IEC 896 Teil 2 geben dazu verschiedene Verfahren und Richtwerte an.

C-Faktor

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 als der Quotient aus diesem Strom und der Kapazität des Akkumulators definiert, da für einen gegebenen Akkumulatortyp und Bauform dieser Quotient über weite Bereiche der absoluten Kapazität konstant ist.

Die Dimension des C-Faktors ist:

$ \mathrm{\frac{Strom}{Ladung}=\frac{1}{Zeit}} $.

Die zugehörige SI-Einheit ist demnach s−1. In der Praxis wird jedoch fast ausschließlich in $ \tfrac{\mathrm{A}}{\mathrm{Ah}}=\mathrm{h}^{-1} $ angegeben. Üblich ist die Schreibweise: „Der maximale Entladestrom ist 15 C“ (C-Faktor ist in diesem Fall 15 h−1).

Beispiel: Die Angabe 20 C als Entladestrom bei einer Zelle mit 3 Ah bedeutet, dass diese Zelle einen Strom von 60 A abgeben kann, analog dazu ist die Angabe "Entladung mit C/10" der 10-stündige Entladestrom eines Akkumulators. Die Angabe von 2 C für den Ladestrom bedeutet bei dieser Zelle, dass sie mit maximal 6 A geladen werden sollte.

Literatur

  •  David Linden (Hrsg.): Handbook of Batteries. 2. Auflage. McGraw-Hill, 2002, ISBN 978-0071359788.
  •  Lucien F. Trueb, Paul Rüetschi: Batterien und Akkumulatoren. Springer, 1997, ISBN 9783540629979.

Einzelnachweise

  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 9783834813107, S. 57.