Akkumulator

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Akkumulator (Begriffsklärung) aufgeführt.

Ein Akku bzw. Akkumulator (aus dem Lateinischen über cumulus = Haufen, (ad-)ac-cumulare = anhäufen, Sammler, Plural: Akkus oder Akkumulatoren) ist ein wiederaufladbarer (englisch: rechargeable) Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis. Er ist somit eine Ausführungsform galvanischer Zellen.

Akkumulatoren können wie alle Stromquellen miteinander kombiniert werden, entweder in Reihenschaltung zur Steigerung der nutzbaren elektrischen Spannung oder aber in Parallelschaltung zur Steigerung der nutzbaren Kapazität einer Batterie und deren Belastbarkeit durch hohe Ströme.

Da bei den einzelnen Akkumulatorzellen die Kapazität und die mögliche Stromstärke auch durch ihre Baugröße einfach skaliert werden kann, die Zellspannung dagegen durch den verwendeten Akkumulatortyp, also die verwendeten Materialien, festgelegt ist, wird häufiger die Reihenschaltung angewandt (siehe Bild Starterbatterie).

12-V-Starterbatterie aus sechs Blei-Sekundärzellen mit je 2V

Abgrenzungen

Batterie

NiMH-Akkumulatorzellen im Standardformat „AA“ (Mignon)

Der Begriff Batterie kennzeichnet im technischen Sinn eine Zusammenschaltung mehrerer gleichartiger galvanischer Zellen bzw. Elemente^[1].

Da der Begriff umgangssprachlich im derzeitigen deutschen Sprachgebrauch als Oberbegriff genutzt wird, ist die sprachliche Abgrenzung der Begriffe Batterie, Primärzellen und Akku unscharf – es wird also oft von „Batterien“ gesprochen, wenn eigentlich „nicht wiederaufladbare Primärzellen“ oder Akkumulatorzellen (Sekundärzellen) gemeint sind. Die Verwirrung wird auch dadurch unterstützt, dass beide Zellentypen in untereinander austauschbaren Baugrößen auf dem Markt sind und es für beide in der englischen Sprache nur den einen Begriff battery gibt, im Fall von Akkuzellen zu rechargeable batteries (englisch für ‚wiederaufladbare Batterien‘) erweitert. Elektrische Verbraucher, die sowohl mit Primär- als auch mit Sekundärzellen betrieben werden können, werden deshalb oft einfach nur batteriebetrieben genannt und nur dann, wenn im täglichen Umgang mit dem Gerät die Wiederaufladbarkeit der Stromquelle eine besondere Rolle spielen soll, auch als akkubetrieben bezeichnet. Im technisch-/wissenschaftlichen Rahmen wird durch die Dominanz des Englischen immer mehr von „Batterien“ (mit dem Zusatz wiederaufladbar oder sekundär) gesprochen.

Kondensator

Kondensatoren speichern ebenfalls elektrische Energie und geben diese wieder ab, allerdings nicht in chemischer Form, sondern in einem elektrischen Feld zwischen den Kondensatorplatten. Sie sind daher keine Akkumulatoren.

Geschichte

Die erste Vorform eines Akkumulators, der – im Gegensatz zu den Zellen von Alessandro Volta – nach der Entladung wieder aufladbar war, wurde schon 1803 von Johann Wilhelm Ritter gebaut. Der wohl bekannteste Akkutyp dagegen, der Bleiakkumulator, wurde erst in den Jahren 1850-1886 entwickelt.

Technologie

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 zurück gewandelt (siehe dazu: Galvanische Zelle). Die für eine elektrochemische Zelle typische elektrische Nennspannung, der Wirkungsgrad und die Energiedichte hängen von der Art der verwendeten Materialien ab.

Energiedichte und Wirkungsgrad

Spezifische Energiedichte (Wh/kg) verschiedener handelsüblicher Sekundärzellen als Funktion der Temperatur. Bei tiefen Temperaturen nimmt die Energiedichte mehr oder weniger stark ab.

Für viele Anwendungen, insbesondere für mobile Geräte wie Hörgeräte oder auch Fahrzeuge, ist die Energiedichte wichtig. Je höher diese ist, desto mehr Energie kann in einem Akku je Masseneinheit gespeichert werden. Bei identischer Temperatur weisen Akkumulatoren (Sekundärzellen) ca. ein Viertel bis zur Hälfte der Energiedichte gegenüber Primärzellen auf. Bei 30 °C liegen übliche Akkumulatoren unter bzw. um 200 Wh/kg, während Primärzellen Werte um 400 Wh/kg wie die Zink-Luft-Batterie erreichen. Eine Ausnahme stellen Prototypen wie der Lithium-Schwefel-Akkumulator dar.

Oft sind Akkus mit besonders hoher Energiedichte überproportional teuer oder weisen auch andere nachteilige Eigenschaften auf, insbesondere eine beschränkte Lebensdauer. So kosten Bleiakkumulatoren typischerweise 100 €/kWh; Li-Ion-Akkus hingegen derzeit (2012) typischerweise 350 €/kWh, Tendenz fallend.^[2] Ursachen sind die anlaufende Massenproduktion, welche die Stückkosten durch bessere Technologien und Skaleneffekte deutlich verringern. Allerdings werden die sinkenden Produktionskosten nur verzögert an die Kunden weitergegeben, da auf diesem Markt, speziell in Deutschland, durch die wenigen Angebote nur ein geringer Preisdruck besteht.

Beim Aufladen und Entladen von Akkumulatoren wird durch den inneren Widerstand der Zellen Wärme freigesetzt, wodurch ein Teil der zum Aufladen aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim Laden aufzuwendenden Energie wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Generell sinkt der Ladewirkungsgrad sowohl durch Schnellladung mit sehr hohen Strömen als auch durch schnelle Entladung, da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen. Das optimale Nutzungsfenster ist dabei je nach Zellchemie stark unterschiedlich.

Ein Vergleich zur Speicherung elektrischer Energie zeigt die Vor- und Nachteile von Akkus gegenüber anderen Speicherverfahren.

Ladungsmenge (Kapazität)

Li-Ionen-Akku für Digitalkameras

Die Ladungsmenge, die ein Akkumulator speichern kann, wird in Amperestunden (Ah) angegeben und als „Kapazität“ (Nennkapazität) bezeichnet. Diese darf nicht verwechselt werden mit der Kapazität eines Kondensators, die in Amperesekunde pro Volt (As/V) definiert ist und in der Einheit Farad (F) angegeben wird. Die angegebene Nennkapazität beim Akku bezieht sich immer auf einen bestimmten Entladestrom und nimmt insbesondere zu höheren Entladeströmen kräftig 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 Selbstentladung hängt von Typ und Alter des Akkus sowie von der Lagertemperatur ab.

Für die Lagerung von Akkus wird meistens folgendes empfohlen: (Hinweis: Der Ladezustand ist relativ gesehen zur Entladeschlussspannung. Das heißt, wenn ein Akku einen Ladezustand von 0 % aufweist, dann ist damit gemeint, dass er seine Entladeschlussspannung erreicht hat, bei NiCd- und NiMH-Akkus liegt diese z. B. bei 0,9 V bzw. 1,0 V.)

• Li-Ion: Ladezustand 60 %, 20 °C; Selbstentladung monatlich < 2 %
• Bleiakkumulator: 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 40 %; Selbstentladung monatlich um 15–25 %, neuere Typen als NiMH mit geringer Selbstentladung mit nur etwa 15 % im Jahr
• NiCd: Ladezustand 40 %; Selbstentladung monatlich um 10 %
• Alkali-Mangan RAM-Zellen: Ladezustand 100 %; Zellspannung sollte nicht unter 1,2 V sinken

Sanyo hat 2005 (Markteinführung in Europa August 2006) einen modifizierten NiMH-Akku namens Eneloop auf dem Markt gebracht, der einer Selbstentladung von lediglich 15 % pro Jahr unterliegt. Es handelt sich hierbei um sogenannte LSD-Akkus (Low Self Discharge), die aufgrund ihrer geringen Selbstentladung als bereits vorgeladene Akkus verkauft werden und daher im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus vor der ersten Benutzung durch den Käufer nicht aufgeladen werden müssen.

Alle Angaben zur Selbstentladung beziehen sich auf Raumtemperatur.

Akkumulatortypen

Die Akkumulatortypen^[7] werden nach den verwendeten Materialien bezeichnet:

• Li-Ion – Lithium-Ionen-Akku (3,2-3,7 V Nennspannung/Zelle), Oberbegriff für Lithium-Akkumulatoren
  • LiCoO₂ - Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, (3,6 V /Zelle), erste verfügbare Technologie
  • LiPo – Lithium-Polymer-Akkumulator (3,7 V Nennspannung/Zelle), (Bauform mit Polymer als Elektrolyt)
  • Li-Mn – Lithium-Mangan-Akkumulator (3,6 V Nennspannung/Zelle)
  • LiFePO₄ – Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (3,3 V Nennspannung/Zelle)
    • LiFeYPO₄ Lithium-Eisen-Yittrium-Phosphat-Akkumulator (Ytrium-Dotierung zur Verbesserung der Eigenschaften^[8])
  • LiTi – Lithium-Titanat-Akku (3,2 V Nennspannung/Zelle)
  • LiS - Lithium-Schwefel-Akkumulator (2,2 V Nennspannung/Zelle)
  • LMP - Lithium-Metall-Polymer-Akku (neueste Akku-Technologie von DBM-technology, Berlin)
• Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperatur-Batterie (Markenbezeichnung: Zebra-Batterie ) (2,58 V Nennspannung/Zelle)
• NaS - Natrium-Schwefel-Akkumulator, Hochtemperatur-Akku mit 2 V Zellspannung
• NiCd – Nickel-Cadmium-Akku (1,2 V Nennspannung/Zelle)
• NiFe – Nickel-Eisen-Akku (1,2–1,9 V Nennspannung/Zelle)
• NiH₂ – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (1,2 V Nennspannung/Zelle)
• Nickel-Zink-Akkumulator (1,65 V Nennspannung/Zelle)
• Pb – Bleiakkumulator (2 V Nennspannung/Zelle)
• PTMA – modifiziertes PTMA, genauer: 2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxy-4-yl-Methacrylat, ein umweltverträgliches organisches Polymer
• RAM – Rechargeable Alkaline Manganese (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• SCiB – Super Charge Ion Battery
• SnC/Li₂S - Zinn-Schwefel-Lithium-Akkumulator
• Silber-Zink-Akku (1,5 V Nennspannung/Zelle)
• Vanadium-Redox-Akkumulator (1,41 V Nennspannung/Zelle bei 25 °C)
• Zink-Brom-Akku (1,76 V Nennspannung/Zelle)
• Silizium-Luft-Akku (in Entwicklung^[9])

neue Entwicklungen

Forscher der Justus-Liebig-Universität Gießen haben zusammen mit Wissenschaftlern der BASF SE eine neue reversibel arbeitende Zelle auf Basis von Natrium und Sauerstoff entwickelt. Als Reaktionsprodukt tritt hierbei Natriumsuperoxid auf. Das Laden und Entladen soll bei diesem Typ wesentlich effizienter sein als bei Lithium-Batterien.^[10]

Verwendung

Einsatzgebiete

Akkumulatoren werden oft verwendet, wenn ein elektrisches oder elektronisches Gerät ohne dauerhafte Verbindung zum festen Stromnetz oder zu einem Generator betrieben werden soll. Da sie teurer sind als nicht wiederaufladbare Primärbatterien, kommen sie vor allem in solchen Geräten zum Einsatz, die regelmäßig benutzt werden und einen nicht vernachlässigbaren Strombedarf haben, wie in Mobiltelefonen, Laptops oder Akkuwerkzeugen.

Auch in Kraftfahrzeugen dient ein Akku in Form der Starterbatterie dazu, Strom für Licht, Bordelektronik und vor allem den Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors zu liefern. Läuft der Motor, wird der Akku über die als Generator arbeitende Lichtmaschine wieder aufgeladen. Ähnliches gilt für Schiffe und Flugzeuge.

Beim elektrischen Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schiffen oder gar kleinen Flugzeugen werden deren Akkus zur Unterscheidung von bloßen Starterbatterien dann als Traktions-Akkumulatoren bezeichnet und zu Traktionsbatterien zusammengeschaltet. Sie unterscheiden sich hauptsächlich durch deutlich höhere Kapazitäten und spezielle Bauformen von handelsüblichen Akkus.

Akkus kommen auch zum Einsatz, um Schwankungen bei der regenerativen Erzeugung von Strom mit Wind und/oder Sonne auszugleichen, wenn sich eine abgelegene Verbrauchsstelle nicht oder nur zu unverhältnismäßig hohen Kosten an das Stromnetz anschließen lässt. Oft sind solche Verbrauchsstellen zusätzlich noch mit einem Notstromaggregat ausgerüstet, das einspringt, bevor die Ladung der Akkus z. B. nach mehrtägiger Windstille nicht mehr ausreicht. Beispiele für solche Installationen sind nicht nur abgelegene Hütten, Mobilfunk-Basisstationen in wenig erschlossenen Regionen oder Weltraumsatelliten, sondern auch viele Parkscheinautomaten, bei denen ein Anschluss an das Stromnetz teurer wäre als die Installation einer Solarzelle und eines Akkumulators.

Konventionelle U-Boot-Antriebe bestehen aus Dieselmotoren mit Generatoren (Fahren und Laden der Akkumulatoren bei nicht getauchter Fahrt) und mit Akkumulatoren betriebenen Elektromotoren (Tauchfahrten).

Akkumulatoren dienen in Systemen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) auch zur kurz- bis mittelfristigen Überbrückung von Ausfällen der stationären Energieversorgung. Wichtige Bereiche, die es mit einer Notstromversorgung abzusichern gilt, sind z. B. Rechenzentren, Alarmsysteme und lebenserhaltende Systeme in Krankenhäusern. Werden hohe Leistungen benötigt oder sind längere Zeiträume zu überbrücken, wird noch ein Dieselgenerator zusätzlich installiert; die Akkus übernehmen dann die Versorgung nur so lange, wie der Dieselgenerator zum Anspringen und Erreichen der Nenndrehzahl benötigt. Falls die so zu überbrückende Zeit nur kurz ist, können dafür auch andere Systeme als Akkumulatoren eingesetzt werden, insbesondere auf der Basis von Schwungmassen oder gar Kondensatoren.

Auswahlkriterien

Kriterien für die Auswahl eines Akkumulatortyps für eine bestimmte Anwendung sind unter anderem:

• Die gravimetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wie viel elektrische Energie ein Akkumulator pro Masse (zum Beispiel Kilogramm) liefern kann. Dieser Wert ist besonders interessant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge. Herkömmliche Bleiakkumulatoren erreichen hier rund 30 Wh/kg, Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion-Akkus) bis zu 140 Wh/kg.
• Die volumetrische Energiedichte. Sie sagt aus, wie viel Wh elektrischer Energie ein Akkumulator pro Volumen (zum Beispiel pro Liter Rauminhalt) liefern kann. Hier liegt der Wert für herkömmliche Bleiakkumulatoren bei ca. 50 Wh/l, bei Li-Ion-Akkus etwa 500 Wh/l.
• Der maximal mögliche Entladestrom. Er ist wichtig für alle Anwendungen, bei denen kurzzeitig sehr hoher Leistungsbedarf besteht. Dieses ist zum Beispiel beim Starten von Fahrzeugmotoren der Fall, aber auch bei Elektrowerkzeugen und Autofocus-Kameras, insbesondere mit integrierten Blitzgeräten.
• Die möglichen Dimensionen (Abmessungen und Gewicht) 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 Gel-Bleiakkumulators ermöglicht den lageunabhängigen Einsatz ohne Gefahr durch auslaufenden Elektrolyt oder korrosive Gase
• Der Memory-Effekt bei NiCd oder Batterieträgheitseffekt bei NiMH tritt abhängig vom Lade- und Entladeverfahren auf und führt zu erheblichen Verringerungen der Kapazität (NiCd) oder der Spannung (NiMH). In Anwendungen, bei denen der Akku nicht regelmäßig vollständig entladen und wieder voll aufgeladen wird, sollten deshalb Akku-Arten verwendet werden, die für diese Effekte nicht anfällig sind, zum Beispiel Blei-Akkus.

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 Übergänge fließend sind:

• Bleiakkumulator: Starter-Batterien für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, Stationärbetrieb in Notbeleuchtungsanlagen und Insel-Fotovoltaik-Anlagen
• NiCd-Akku: Elektrowerkzeuge, Antriebe im Modellbau, portable elektronische Geräte mit kurzzeitig hoher Stromaufnahme (Foto-Blitzgeräte), Traktionsbatterieen für Elektroautos, Bsp.:Citroën AX electrique
• NiMH-Akku: portable elektronische Geräte mit konstanter Stromaufnahme, Modellbau, Elektroautos, Bsp.: GM EV1, Toyota Prius
• Li-Ion-Akku: portable elektronische Geräte mit kleinen Abmessungen und langer Betriebszeit (Mobiltelefone, Notebooks, Kameras)
• Li-Po-Akku (auch Lipo, Lithium-Polymer): Antriebe im Modellbau, Mobiltelefon, Traktionsbatterie für extreme Reichweiten, Bsp.: Kruspan-Hotzenblitz^[11]
• Li-Mn-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Pedelecs, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
• Li-Fe-Akku: Antriebe im Modellbau, neue Profiklasse von Elektrowerkzeugen, Fahrzeugakku für hohe Reichweiten
• Lithium-(Nano)-Titanat-Akku: Antrieb von Elektro-Kraftwagen mit großen Reichweiten
• kein Akku: sondern Alkali-Mangan-Zellen bei Anwendungen mit geringerem Energieverbrauch als 0,01 Wh/Tag, wie Uhren, Fernbedienungen, Thermometer, Feuermelder, selten benutzte Waagen.

Als alternative Strom-Spender werden Brennstoffzellen-Systeme im Zusammenhang mit Wasserstoff oder Methanol als Energieträger diskutiert. Brennstoffzellen erzeugen ohne Verbrennung und zusätzliche Umwandlungen elektrische Energie. Zu beachten ist dabei, dass die Energieabgabe der Brennstoffzelle kaum variiert werden kann. In Systemen mit schwankendem Leistungsbedarf (Bsp.: Hybridelektrokraftfahrzeug müssen deshalb immer zusätzlich auch Akkumulatoren verwendet werden, welche aber in Vergleichen oft unberücksichtigt bleiben.

Bei Vergleichen mit ausschließlichem Akkumulator-Betrieb muss also korrekterweise neben der eigentlichen Brennstoffzelle auch der Raumbedarf und das Gewicht des Treibstoff-Behälters (Wasserstoff-Flaschen, Methanol-Tank) sowie der notwendigen Puffer-Akkus berücksichtigt werden.

Konkurrierende Energiespeicher sind auch Hydraulikspeicher sowie elektrochemische Zellen wie die Redox-Flow-Zelle.

Literatur

• Edmund Hoppe: Die Akkumulatoren für Elektricität. Julius Springer, Berlin 1892.
• David Linden, Thomas B. Reddy (Hrsg.): Handbook of Batteries. 3. Auflage. McGraw-Hill, New York 2002, ISBN 0-07-135978-8.
• 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. Teil 1: Akkumulatoren mit wäßriger Elektrolytlösung. In: Chemie in unserer Zeit. 33, Nr. 5, 1999, S. 252–266 (doi:10.1002/ciuz.19990330503, PDF).
• Martin Winter, Jürgen O. Besenhard: Wiederaufladbare Batterien. Teil 2: Akkumulatoren mit nichtwäßriger Elektrolytlösung. In: Chemie in unserer Zeit. 33, Nr. 6, 1999, S. 320–332 (doi:10.1002/ciuz.19990330603, PDF).
• Andreas Jossen, Wolfgang Weydanz: Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen. Printyourbook 2006, ISBN 3-939359-11-4.
• DIN 40 729 Akkumulatoren – Galvanische Sekundärelemente – Grundbegriffe.

Weblinks

Commons: Akkumulatoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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Wiktionary: Akkumulator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wiktionary: Akku – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikisource: Bekanntmachung, betreffend die Einrichtung und den Betrieb von Anlagen zur Herstellung elektrischer Akkumulatoren aus Blei oder Bleiverbindungen (Deutschland, 1898) – Quellen und Volltexte

• Umfangreiche Informationen zum Aufbau und zur Pflege von Akkumulatoren, BatteryUniversity.com

Einzelnachweise

Galvanische Zellen

Primärzellen: Alkali-Mangan-Batterie | Lithiumbatterie | Lithium-Eisensulfid-Batterie | Lithium-Mangandioxid-Batterie | Lithium-Thionylchlorid-Batterie | Lithium-Schwefeldioxid-Batterie | Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie | Nickel-Oxyhydroxid-Batterie | Quecksilberoxid-Zink-Batterie | Silberoxid-Zink-Batterie | Zink-Kohle-Zelle | Zinkchlorid-Batterie | Zink-Luft-Batterie
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Historische Zellen: Daniell-Element | Gravity-Daniell-Element | Leclanché-Element | Voltasche Säule | Clark-Normalelement | Weston-Normalelement | Zambonisäule
Ausführungen: Akkumulator | Batterie | Brennstoffzelle | Knopfzelle | Konzentrationselement | Redox-Flow-Zelle | Thermalbatterie
Bestandteile: Halbzelle (Donator- und Akzeptorhalbzelle)